基于多功能纳米纤维的电子皮肤，具备吸湿性、压电运动感应功能以及热致变色温度响应特性

《Journal of Colloid and Interface Science》：Multifunctional nanofiber-based electronic skin with moisture-wicking, piezoelectric motion sensing and thermochromic temperature response

汗液定向传输与温变显色的多功能纳米纤维电子皮肤设计及其性能验证

　　本研究聚焦于电子皮肤（e-skin）领域，提出了一种新型的多功能纳米纤维结构电子皮肤（PTZ-PPPB-PPT），旨在解决传统电子皮肤在长期佩戴过程中面临的信号稳定性差、舒适性不足以及功能单一等关键问题。电子皮肤是一种仿生柔性电子传感器，能够模拟人类皮肤的感知功能，实时监测压力、温度、湿度等外部刺激，并将其转化为可读取的电信号。其在可穿戴健康监测、智能机器人、人机交互以及人工智能等方向展现出广阔的应用前景。然而，现有的电子皮肤在透气性、汗水管理以及多模态传感集成方面仍存在显著不足，特别是在长时间佩戴时，由于材料透气性差和汗水积聚，可能导致信号失真或设备失效。

为了克服这些局限，研究人员通过分层静电纺丝技术，构建了一种具有多层结构的电子皮肤。该电子皮肤由三层功能性材料组成：疏水层（PVDF-TrFE/ZnO）、压电增强层（PAN/PVP/PDA@BTO）以及热致变色层（PAN/PVP/TCM）。这种结构设计不仅提升了电子皮肤的透气性和舒适性，还增强了其在复杂环境下的多模态感知能力。疏水层通过其特殊的表面特性，实现了单向汗水运输，有效防止了汗水回流。实验数据显示，汗水接触角从132.8°迅速降低至0°，仅需5.72秒即可完成，同时具备40 mmH?O的静水阻力，防止了液体逆向渗透。这种设计确保了电子皮肤在运动过程中保持皮肤表面干燥，从而维持压电输出的稳定性。

压电增强层则通过引入PDA@BTO核心-壳结构，显著提升了压电性能。该层在10牛顿负载下能够产生高达29.4伏特的输出电压，同时具备790纳安的电流和9.7纳库的电荷量。这一层的设计不仅优化了材料的机械-电能转换效率，还为电子皮肤提供了更高的灵敏度和响应速度。此外，该电子皮肤在压电输出方面表现出快速的响应与恢复时间，分别为100毫秒和80毫秒，这使得其在动态监测中具有较高的实用性。

热致变色层则赋予了电子皮肤实时温度可视化的能力。通过嵌入热致变色微胶囊（TCM），该层能够在温度变化时产生可逆的颜色变化，从而直观地反映出环境温度的变化范围（25-40°C）。相较于传统的电子温度传感器，热致变色系统无需复杂的电路结构，仅通过颜色对比即可实现对局部温度分布的快速评估，为动态环境监测提供了新的思路。这种热致变色特性不仅提升了电子皮肤的功能多样性，还为用户提供了一种非侵入式的温度感知方式，有助于预防高温环境下的烧伤等安全风险。

电子皮肤的性能优化不仅依赖于材料的选择，还涉及结构设计的创新。研究人员借鉴了荷叶的疏水-亲水双面特性以及蜘蛛丝的周期性纺锤结结构，构建了具有不对称润湿性的电子皮肤。这种设计不仅增强了电子皮肤的液体运输能力，还有效防止了水分逆向渗透，从而维持了电子皮肤的功能稳定性，并降低了长时间佩戴可能引发的皮肤刺激风险。此外，电子皮肤的机械灵活性也得到了显著提升，其断裂伸长率达到187.75%，确保了在复杂形变下的适用性。

在材料制备方面，研究人员采用了一系列精细的化学处理步骤，以确保各层材料的均匀分散和良好的结合性能。例如，在制备压电增强层时，首先将Tris缓冲液与BTO纳米颗粒混合，经过超声波处理后，再加入DA-HCl粉末并进行磁力搅拌，以实现PDA对BTO纳米颗粒的包覆。这一过程不仅提高了BTO纳米颗粒的分散性，还增强了其在复合材料中的稳定性。随后，通过离心分离和洗涤步骤，进一步去除了未结合的颗粒，最终获得了PDA@BTO粉末。这一材料的制备方法为后续的复合纤维膜提供了优质的压电增强材料。

在热致变色层的制备过程中，研究人员将热致变色微胶囊（TCM）与PAN和PVP混合，经过超声波处理后，形成了均匀的蓝色溶液。该溶液随后通过静电纺丝技术沉积在先前制备的PVDF-TrFE/ZnO-PAN/PDA@BTO纳米纤维膜上，最终形成了PTZ-PPPB-PPT纳米纤维膜。这一过程确保了各层材料之间的良好结合，同时保留了各自的功能特性，使得电子皮肤能够同时实现压力、温度和汗水管理的多模态传感。

为了验证电子皮肤的各项性能，研究人员进行了多种测试。包括使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析纳米纤维的形态结构，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定化学键的存在，通过Brunauer-Emmett-Teller（BET）方法测定比表面积，使用接触角分析仪评估材料的润湿性，以及通过水吸收率和平衡含水量计算材料的吸湿性能。此外，还进行了静态水柱测试以评估电子皮肤的反渗透性能，拉伸测试以测定其机械性能，差示扫描量热分析（DSC）和热重分析（TGA）以研究其热稳定性和热响应特性，以及透气性测试以评估其在实际应用中的舒适性。

电子皮肤的动态性能测试也显示了其在实际应用中的潜力。通过周期性压缩测试，研究人员记录了电子皮肤在不同负载下的压电输出特性，结果显示其在30牛顿负载下能够产生高达40伏特的输出电压，并且具有0.825伏特/牛顿的灵敏度。这表明该电子皮肤不仅能够精确感知外部压力变化，还能够在动态运动中保持良好的信号输出稳定性。此外，电子皮肤还被用于监测网球运动中的关节活动（如颈部、膝盖和肘部），其压电信号能够准确反映运动过程中的动作变化，为运动生理学研究提供了新的工具。

在实际应用方面，这种多功能电子皮肤展现出在可穿戴健康监测、智能假肢感知以及运动生理管理等领域的巨大潜力。由于其出色的透气性和汗水管理能力，电子皮肤能够在长时间佩戴下保持良好的舒适性，避免因汗水积聚而导致的皮肤不适或炎症。同时，其多模态传感能力使得电子皮肤能够同时监测压力、温度等多类生理参数，为健康监测提供了更全面的数据支持。此外，电子皮肤的可视化温度监测功能使其在高温环境下的应用更加安全可靠，有助于预防热损伤等潜在风险。

该研究不仅为电子皮肤的设计和制备提供了新的思路，还展示了多层复合结构在提升电子皮肤性能方面的优势。通过合理选择和组合不同功能材料，研究人员成功构建了一种具有高灵敏度、快速响应和良好舒适性的电子皮肤。这种电子皮肤的开发标志着柔性电子技术在人机交互和智能健康监测领域迈出了重要的一步。未来，随着材料科学和制造技术的进一步发展，电子皮肤有望在更多应用场景中发挥作用，为人类健康和智能技术的进步提供新的解决方案。