基于DNA仿生结构的可穿戴高拉伸稳定应变传感器：单步图案化APC-PTFE混合电极的创新设计

【编辑推荐】研究人员受DNA结构启发，通过Kirigami技术设计新型可拉伸应变传感器，采用AgPdCu(APC)-PTFE混合电极与聚氨酯(PU)基底结合，实现50%应变下26.75的高灵敏度(GF)、3.73×104 S cm-1导电性及10,000次循环稳定性，为电子皮肤和人体运动监测提供创新解决方案。

　　

在柔性电子技术蓬勃发展的今天，人体运动监测对传感器的要求日益严苛：既需要媲美皮肤的高拉伸性（>50%应变），又需兼顾高灵敏度与长期稳定性。传统应变传感器常陷入"灵敏度-拉伸范围"的权衡困境，且难以适应复杂曲面。自然界中，DNA分子的双螺旋结构以其独特的力学特性——可拉伸至原长两倍的超弹性、扭曲稳定性，为研究者提供了绝佳灵感。韩国研究人员在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究中，开创性地将DNA几何特征与日本折纸艺术(Kirigami)结合，开发出单步成型的生物启发式传感器。

研究团队采用有限元分析(FEA)优化DNA图案设计，通过混合规则(ROM)计算AgPdCu(APC)-聚四氟乙烯(PTFE)混合电极的有效材料参数。采用磁控溅射技术在聚氨酯(PU)基底上制备D1H4构型（DNA双链间距1mm、高度4mm）的电极，其性能远超同类：在50%应变下灵敏度(GF)达26.75，电导率3.73×10⁴ S cm^-1，响应时间仅1秒，经10,000次拉伸循环后电阻变化<10%。人体测试中，该传感器可精准捕捉脉搏、关节弯曲等生理信号。

关键技术方法

1. 有限元模拟：通过ABAQUS软件分析DNA图案应力分布，采用CPS4R单元网格划分
2. 混合电极制备：磁控共溅射APC-PTFE，PTFE含量优化至20%以平衡导电性与柔韧性
3. Kirigami图案化：通过阴影掩模技术实现单步DNA图案转印
4. 性能测试：Instron力学测试机结合四探针法测量电-机械耦合性能

研究结果
Finite Element Analysis
模拟显示D1H4构型在50%应变时最大应力仅7.8MPa，较传统蛇形图案降低62%，验证DNA双螺旋结构可有效分散应力。

Results and Discussion
APC-PTFE混合电极的裂纹扩展分析表明，20%PTFE掺杂使裂纹扩展路径延长300%，赋予材料优异耐久性。皮肤贴合测试中，传感器在弯曲半径<5mm时仍保持信号稳定性，适用于指关节等复杂曲面。

Conclusions
该研究首次将DNA拓扑结构转化为可穿戴电子器件的功能设计，其单步图案化工艺大幅简化制造流程。D1H4构型展现的"低应力-高延展"特性，为开发下一代电子皮肤提供了普适性设计范式。

这项突破性工作不仅解决了柔性传感器领域长期存在的机械-电学性能矛盾，更开创了生物分子结构直接指导电子器件设计的新思路。通过将DNA的双螺旋优势与Kirigami的几何可编程性相结合，研究者成功实现了"自然启发-计算优化-工艺实现"的全链条创新，为智能医疗、人机交互等领域提供了极具产业化潜力的技术平台。