引入分子间作用力增强的MXene气凝胶压力传感器：面向人体运动监测与语音识别的高性能柔性传感技术

本文创新性地采用还原氧化石墨烯（RGO）作为骨架材料，通过引入聚苯胺（PANI）增强MXene气凝胶的分子间作用力（氢键、π-π相互作用和静电引力），成功制备出具有三维多孔结构的MXene/RGO/PANI（MRP）复合气凝胶。该传感器展现出4 kPa?1的高灵敏度、1–20 kPa的宽线性响应范围、300/100 ms的快速响应/恢复时间以及260次循环的优异稳定性，在人体运动监测和基于机器学习（准确率达98%）的语音识别领域展现出重要应用价值。

　　

1 引言

近年来，柔性压力传感器在人工智能、医疗设备和可穿戴设备领域需求激增。MXene材料因其二维层状结构和高导电性成为研究热点，但纯MXene纳米片间仅依赖范德华力难以形成高弹性气凝胶。本研究通过界面增强策略，以RGO为骨架引入PANI作为"分子桥梁"，构建具有氢键、π-π相互作用和静电引力的三维多孔MRP复合气凝胶，显著提升材料的机械性能和电响应特性。

2 结果与讨论

2.1 制备与表征

通过蚀刻Ti₃AlC₂ MAX相获得多层MXene（Ti₃C₂T_x），经超声剥离得到单层MXene胶体。SEM显示MRP气凝胶具有100–120 μm的蜂窝状大孔结构，XRD证实PANI的引入使MXene（002）晶面间距从6.3°扩大到6.0°。FTIR和拉曼光谱证实材料间存在氢键和π-π相互作用，Zeta电位测试揭示带正电的PANI与带负电的MXene/RGO通过静电引力结合。

2.2 分子间作用能与机械性能

分子动力学模拟显示MRP体系的结合能达21.00 kJ mol^?1，较MR气凝胶（16.25 kJ mol^?1）显著提高。压缩测试表明RGO:MXene最佳比例为1:1.5，过量MXene会因自堆叠降低强度。MRP气凝胶在50%应变下展现最高压缩强度，归因于PANI的氨基与MXene/RGO羟基形成的氢键网络。

2.3 传感器性能

基于压阻效应的MRP传感器在0.01 V工作电压下呈现线性欧姆特性。灵敏度测试显示4 kPa^?1的高灵敏度（RGO和MR气凝胶分别为1.5和1.8 kPa^?1），这得益于PANI扩大的层间距和增强的电子传输能力。传感器具备300 ms响应和100 ms恢复的快速动态性能，且在10 kPa压力下经1300秒/260次循环后仍保持稳定。

2.4 实际应用

该传感器可检测0.8 kPa微小压力（如耳球吹气），并能区分不同幅度的关节运动信号：膝关节弯曲产生单峰信号，而点头动作呈现特征性双反峰。语音识别实验中，通过db4小波分解和FFT频谱提取时频特征，结合随机森林算法对"A"、"B"等字母发音实现98%的分类准确率。

3 结论

本研究通过分子界面设计解决了MXene气凝胶机械性能不足的难题，开发的MRP传感器兼具高灵敏度和透气性（WVTR达227 g m^?2 d^?1），为智能医疗、人机交互和实时健康监测提供了新技术路径。

4 实验方法

采用冻干-热退火工艺制备气凝胶，以PDMS为柔性基底，3M生物胶带封装成器件。电学测试使用Keithley 2634B源表，机械性能通过ZQ-990LA万能试验机表征。所有人体实验均通过中南大学湘雅二医院伦理审查（批号KYZ20240176）。