受限于摘要信息，标题构建需紧扣“Bouligand结构电纺层合板”“层间旋转角度调控”“力学增强与机电传感耦合”等核心要素，并保留PLCL、CNT等缩写及必要上下角标。以下为基于摘要提炼的专业标题： Bouligand结构电纺PLCL/CNT层合板的层间旋转角度调控实现力学稳健性与机电传感耦合

《Advanced Functional Materials》：Architectural Tuning of Bouligand Electrospun Laminates Enables Coupled Mechanical Robustness and Electromechanical Sensing

　　

自然界提供了使多功能材料兼具力学韧性与专门功能的设计原理。然而，将分级生物结构转化为能够实现集成传感与人机交互的柔顺合成系统在很大程度上仍未被探索。本研究分析了蓝蟹（Callinectes sapidus）外骨骼的螺旋Bouligand组织，并将该原理转化为嵌入碳纳米管（CNT）传感层的可生物降解电纺聚（L-丙交酯-co-ε-己内酯）（PLCL）层合板。通过在不改变组成的前提下改变纤维层间角度旋转，研究人员分离出层合板结构对力学与机电性能的影响。20°层间旋转提供了最均衡的力学响应，相较于随机堆叠层合板，杨氏模量提高三倍以上，拉伸强度提高近40%。尽管厚度仅约100 μm，层合板在失效前可承受超过其厚度55至73倍的面外变形，同时嵌入的CNT网络能够实时检测结构损伤。经纺织品集成后，层合板可作为可穿戴传感器用于触摸、应变、温度和重量检测，层合板结构使电输出产生超过一个数量级的变化。作为概念验证性人机界面，层合板实现了实时信号可视化与同步机器人手部驱动，展示了面向智能材料和仿生结构电子器件的可扩展策略。

**研究背景与问题** 兼具力学稳健性与传感、驱动功能的多功能材料在可穿戴电子、生物医学器件和软体机器人领域日益重要，此类系统需在复杂变形下保持轻质、柔顺与可靠。在单一材料中同时实现这些性能仍具挑战，促使研究人员寻求超越传统均质系统的设计策略。自然界通过分级结构组织提供了有效方案，力学性能源于结构而非仅源于组成。其中，Bouligand（螺旋）结构由连续纤维层以恒定角度旋转构成，通过偏转裂纹和重新分配应力来增强刚度、韧性与损伤容忍度。该类结构存在于甲壳类外骨骼等生物材料中，已启发高性能复合材料，但其实现主要在刚性矿化系统中得到充分探索。近期研究将Bouligand概念扩展至3D打印陶瓷复合材料和柔顺水凝胶，纺织结构同样展示了纤维组织对力学性能的调控作用，但这些案例中结构主要被设计用于调控力学性能。为将多功能性引入柔顺材料，可将导电CNT网络嵌入纤维支架，CNT形成渗流导电通路，在保持柔性的同时对机械变形高度敏感。应变下CNT-CNT结的变化产生可测电阻变化，实现本征实时传感，使单一材料同时承载、检测变形或损伤并提供人机界面输入信号。静电纺丝是本研究的关键方法，可制备纳米级纤维，为构建分级纤维结构提供通用平台，能精确控制纤维直径、取向和多层组织，同时保持高孔隙率和柔性。然而，电纺毡需固结形成力学与电学连续的层合板。取向纤维通常优于随机毡，但多数多层电纺系统依赖简单堆叠，受控层间旋转在多功能层合板中的作用在很大程度上未被探索。热压可局部软化纤维表面，促进有限纤维间融合，同时保留纤维形态、取向和层间旋转，该过程建立对结构完整性和机电功能至关重要的连续载荷传递与电通路，对于Bouligand启发层合板中相邻旋转层间的有效耦合尤为关键。PLCL兼具弹性、韧性、生物相容性和可降解性，为此类分级结构提供了有吸引力的平台。相比之下，多功能电纺传感器主要依赖聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物等含氟聚合物，因其具有电活性；这些聚合物在环境中持久存在并日益受到监管关注。PLCL提供了可生物降解的脂肪族聚酯替代方案，水解为可代谢降解产物，从而消除含氟聚合物基质的持久性问题。虽然CNT传感相本身不可降解，但其被限制在两个薄的内部夹层中而非分散于整个基体，因此所得层合板应被视为含有不可降解导电相的可生物降解聚合物基质，而非完全可生物降解器件。该设计以PLCL替代持久性本体聚合物，同时将不可降解组分限制在结构的小部分。然而，除材料选择外，导电电纺传感器通常通过聚合物组成、填料负载或加工条件优化，而非通过层合板结构的刻意调控。因此，层间旋转能否同时调控柔顺电纺层合板的力学性能与机电功能在很大程度上仍未被探索。本研究受蓝蟹外骨骼分级Bouligand结构启发，将结构确立为调控电纺层合板多功能性能的主要设计参数。对天然螺旋组织的定量分析被转化为嵌入CNT传感层的多层PLCL层合板。通过系统改变连续纤维层间角度旋转同时保持相同材料组成，研究人员分离出结构对拉伸行为、耐穿刺性、电导率及多功能传感（包括触摸、应变、温度和重量检测）的影响。最后，研究人员展示了纺织品集成层合板作为可穿戴人机界面，能够实现实时信号可视化和机器人手部驱动。这些可生物降解层合板表明，结构编程能够同时调控力学稳健性、机电功能和人机交互，为多功能仿生纤维材料提供了通用策略。

**关键技术方法** 研究采用静电纺丝制备随机与取向PLCL纤维毡，通过调节收集器转速控制纤维取向；采用电泳沉积（EPD）将多壁碳纳米管（MWCNTs，文中简称CNTs）沉积于选定纤维毡形成导电传感层；以九层纤维毡为单元，通过手工堆叠引入20°和45°恒定层间旋转构建Bouligand启发结构，CNT传感层嵌入第四、五层中间面；采用50°C、5 min热压固结层合板；通过SEM、ATR-FTIR、DSC、接触角、拉伸测试、定制的压入-原位电阻测量系统及纺织品热压集成进行表征与传感演示。研究所用蓝蟹（Callinectes sapidus）甲壳碎片为生物结构分析样本，PLCL为PURASORB PLC 7015（70/30摩尔比），MWCNTs购自NanoAmor。

**研究结果** 2.1 Bouligand结构的生物学表征：通过SEM截面成像揭示蓝蟹外骨骼具有特征性Bouligand结构，连续板层沿角质层厚度逐渐旋转，定量图像分析确定特征半螺距为28.7 ± 2.8 μm，对应纤维取向180°变化；高倍成像分辨出几丁质纤维束平均直径为90 ± 15 nm。观察到的螺旋图案代表离散近平面板层的集体组织而非单根纤维连续旋转，测得的半螺距描述整体Bouligand周期性但不直接定义相邻板层间角度旋转，而正是板层间离散旋转促成生物Bouligand结构中的应力重分布、裂纹扭转和偏转。该离散组织通过将每层取向纤维毡视为独立板层并引入20°和45°受控旋转转化为电纺PLCL层合板，角度选择参考刚性Bouligand复合材料研究，A20为中等旋转结构，A45为常规较高角度参照，20°亦为手工堆叠可可靠重现的最小增量。

2.2 电纺层合板的形态与理化表征：SEM显示各结构纤维形态相当，R、A20、A45平均纤维直径分别为2.41 ± 1.14 μm、2.75 ± 1.54 μm、2.35 ± 1.34 μm；纤维取向差异显著，R为各向同性网络（取向指数0.137，31%纤维在主导方向±20°内），A20和A45呈明显单轴取向（取向指数0.766和0.718，约70%纤维在±20°内），证实提高收集器速度控制纤维取向而不显著影响直径。液氮冷冻断裂截面成像分辨出固结层合板各层，A20和A45的表观纤维取向逐层变化，证实设计的堆叠序列在热固结后保留，R无系统取向变化，层间界面连续无空隙且层间可辨，热压产生局部纤维间融合而不消除结构。ATR-FTIR显示所有样品保留PLCL特征吸收带，层合后无额外吸收带、峰位移或相对峰强变化，表明热固结保留PLCL化学结构。DSC显示层合后保留PLCL特征热转变，玻璃化转变从纺丝纤维的19.2 ± 0.4°C略移至R的21.3 ± 0.2°C和A20的20.3 ± 0.8°C，PCL富集相和PLLA富集相熔融温度分别在66–68°C和124–134°C内；层合导致结晶度适度降低，PCL结晶分数从5.37 ± 0.80%降至R的1.27 ± 0.21%和A20的2.67 ± 1.01%，PLLA结晶度从12.43 ± 0.88%降至7.50 ± 0.60%和8.38 ± 2.02%；50°C固结温度约高于纺丝纤维玻璃化转变30°C、低于PCL富集相熔融起始16°C，处于窄热窗口内，非晶相足够活动促进纤维间接触融合而结晶相未熔融、纤维形态保留，证实力学性能差异源于结构组织而非聚合物本征热性质改变。接触角测量显示电纺参考毡和层合板均保持疏水（108.4 ± 1.9°至120.1 ± 1.3°），仅确认层合后PLCL特征疏水性保留。总体表明制造策略成功引入受控纤维取向并保留设计厚度方向堆叠序列，同时维持纤维尺寸及PLCL化学完整性、热特性和表面润湿性。

2.3 力学性能：代表性应力-应变曲线显示各结构变形行为不同，R层合板延展性最大，UTS时应变达1234 ± 77%，而取向层合板失效应变较低（A20为546 ± 80%，A45为396 ± 26%），与取向电纺纤维毡通常较低变形性一致。纤维取向显著改善承载能力，弹性模量从R的0.94 ± 0.23 MPa增至A20的2.97 ± 0.92 MPa和A45的2.12 ± 0.07 MPa；A20拉伸强度最高（8.97 ± 0.88 MPa），较R（6.56 ± 0.75 MPa）和A45（5.97 ± 0.41 MPa）分别提高约37%和50%；A20强度改善伴随韧性仅适度降低（43.8 ± 11.5 MJ m?3，R为51.1 ± 4.8 MJ m?3），而A45显著降低（20.1 ± 2.5 MJ m?3）。性能改善归因于纤维取向和层间旋转，中等层间旋转似能平衡应力重分布与损伤容忍度，与3D打印Csf/ZrB2-SiC复合材料中30° Bouligand堆叠通过更频繁裂纹偏转提高弯曲强度和断裂韧性并改善热扩散均匀性的角度依赖最优一致。测试后SEM显示沿加载方向取向的纤维优先断裂而横向纤维基本完整，A45纤维断裂最显著，与其较低失效应变和韧性一致；无顺序载荷下降的平滑应力-应变响应表明固结层作为集成层合板而非独立毡变形，类似于仿生丝结构中界面纤维焊接实现层间载荷传递。独立层模型基于cos?θ刚度贡献预测A20与R刚度相同、A45较R刚19%，而实测模量分别为R的3.1倍和2.3倍，预测顺序的反转表明固结耦合各层且层间旋转调控融合结构内载荷分担；模型还预测A20因九层均匀跨越180°而面内刚度近似各向同性，A45预测刚度随加载方向在R的0.89至1.19倍间变化，单向堆叠为极限各向异性情形，沿纤维方向预测刚度为R的2.67倍；虽未实验测试方向预测，但所有面内方向平均得三种结构相同预测刚度，表明堆叠序列重分布可用于承载的纤维取向而非增加其平均取向贡献。旋转层合板的增强实验响应源于固结结构内协同载荷传递而非仅纤维取向。综合表明，取向模型与实测响应间的差异说明旋转层合板的力学优势源于中等层间旋转与有效界面耦合的结合，A20最有效利用该组合，在刚度和强度上获得最大增益同时保留随机层合板大部分韧性。

2.4 穿刺传感：为评估CNT增强层合板检测局部机械损伤的能力，研究人员开发了同步穿刺加载与原位电阻测量的定制测试装置，层合板安装于6 mm直径支撑孔上，用3 mm直径圆柱压头穿刺同时连续监测电阻。代表性力-位移曲线显示R层合板穿刺前变形最大（7.99 ± 0.25 mm），A20和A45失效位移相似（6.20 ± 0.22 mm和6.09 ± 0.10 mm）；尽管R、A20、A45厚度仅120.0 ± 6.0 μm、84.7 ± 15.3 μm、111.3 ± 11.0 μm，穿刺前分别承受约67、73、55倍原始厚度的面外变形；最大穿刺应力从R的1.62 ± 0.09 MPa增至A20的1.99 ± 0.33 MPa和A45的1.94 ± 0.22 MPa。穿刺应力按压头截面积计算为名义接触压力，因三种结构厚度不同，按剪切面积（压头周长乘层合板厚度）归一化峰值力得R、A20、A45分别为10.1、17.6、13.1 MPa，A20较R优势从23%升至74%，A45从20%升至29%；A20最薄却承受最高穿刺应力，厚度差异不利于而非产生该趋势。优异柔顺性源于局部变形中纤维重取向和应力重分布。同步电测量显示所有结构具有清晰压阻响应，加载期间电阻稳定，穿刺时突增对应CNT网络破坏；基线电阻强烈依赖结构，A20最低（1.01 ± 0.68 MΩ），A45次之（2.45 ± 2.67 MΩ），R显著较高（8.08 ± 3.79 MΩ）；穿刺后电阻分别增至A20的2.24 ± 0.67 MΩ、A45的6.63 ± 4.94 MΩ、R的12.94 ± 0.67 MΩ，提供机械失效的明确电学特征。因基线电阻分散，相对电阻变化ΔR/R0为A20的1.88 ± 1.74、A45的2.50 ± 1.26、R的0.79 ± 0.60，表明Bouligand结构穿刺诱导响应更大。电阻突增不可逆反映渗流CNT网络的永久破坏，EPD涂层SEM显示致密互连CNT层均匀覆盖电纺纤维；PLCL纤维绝缘，导电通过两个传感夹层的渗流CNT网络；R中CNT沉積于随机取向毡形成各向同性且较曲折的导电网络，A20和A45中CNT网络沿取向纤维结构、两传感夹层分别旋转20°和45°，A20较小旋转使导电网络与测量方向角对齐更近、有效导电路径更短，A45较大旋转增加路径曲折度，导致平均基线电阻约八倍变化。结果表明嵌入CNT夹层提供可靠实时穿刺电检测同时保持优异力学柔顺性，A20结合最高耐穿刺性与最低电阻，是最有效的自传感电纺层合板设计。

2.5 机电传感器：为展示层合板在可穿戴电子中的应用，将含CNT层合板集成到棉T恤中评估为可穿戴机电传感器。纺织品集成后所有结构在重复手指敲击下产生稳定可重复电压信号，证实可穿戴条件下可靠机电换能；电响应强烈依赖结构，A45峰峰值电压最高（33.7 mV），R次之（6.4 mV），A20最低（1.8 mV），该趋势与测试前集成层合板基线电阻一致（A20两线电阻最低27.7 ± 0.004 kΩ，R为106.1 ± 0.001 kΩ，A45为322.5 ± 0.002 kΩ），表明机电响应可通过层合板结构编程。纺织品集成后基线电阻（28–323 kΩ）远低于穿刺实验（1–8 MΩ），归因于缝入织物的导电线提供比穿刺测试临时铜带接触更低电阻的电界面。值得注意的是，力学性能最佳的结构并未产生最大电信号，反映层间旋转的不同后果：A20较小旋转利于机械载荷传递，而A45较高基线电阻导致更大触摸诱导电压响应，因此旋转角提供平衡力学性能与电灵敏度的手段而非定义单一最优结构。A20因结合高力学性能与低工作电阻及更均匀面内力学响应被选为进一步多功能评估。重复拉伸至100%应变下，A20在慢速和快速拉伸条件下均显示稳定可重复压阻响应，拉伸时电阻增加、释放后可重复恢复初始值；快速和慢速拉伸ΔR变异系数分别为5.7%和6.1%，峰电阻与释放态电阻在快速下变化3.1%和2.3%、慢速下5.3%和5.9%，循环间分散超过任何系统性变化，表明测试循环内传感稳定。定量分析显示速率依赖响应，慢速拉伸产生比快速更大电阻变化（ΔR = 28.8 ± 1.8 kΩ对17.7 ± 1.0 kΩ），伴随更高峰电阻（54.7 ± 2.9 kΩ对41.2 ± 1.3 kΩ），释放态电阻相对稳定（25.9 ± 1.5 kΩ和23.5 ± 0.5 kΩ），该速率依赖性与PLCL/CNT基质粘弹性一致。除应变传感外，A20还显示清晰温度依赖电响应，与商用J型热电偶同时测量的加热曲线密切吻合，电阻与温度强相关，电阻温度系数为82.5 ± 15.5 Ω °C?1；正温度系数归因于PLCL/CNT基质热膨胀增加相邻CNT平均间距、减少导电接触数从而增加电阻，与压缩载荷减小CNT间距、增强导电接触、降低电阻的重量传感响应互补。压缩载荷从10 g增至100 g使电阻从基线64.0 ± 0.1 kΩ逐步降至59.3 ± 0.02 kΩ（10 g）、55.6 ± 0.06 kΩ（20 g）、51.5 ± 0.01 kΩ（50 g）、50.4 ± 0.04 kΩ（100 g），相对初始值最大降低约21%，展示检测外部施加重量的能力。实际多功能性通过系列实时可穿戴应用进一步展示：纺织品集成层合板作为Arduino人机界面的唯一传感元件，手指触摸R、A20、A45可靠开关LED阵列；用PicoScope 5000系列示波器实时采集触摸诱导电压信号，证实传感器可方便地与常规数据采集硬件接口而无需额外信号调理电路；以A20为压阻控制传感器的概念验证可穿戴人机界面，传感器输出由定制浏览器图形界面实时处理，连续可视化变形状态和电响应同时驱动Arduino控制五指机器人手，纺织品变形直接转化为同步手指运动。综上，Bouligand启发层合板作为多功能可穿戴传感平台，检测触摸、应变、温度和重量，同时实现直观实时可视化和机器人控制；触摸响应与专用电纺PVDF基触摸传感器在类似低压敲击条件下相当，且无需铁电聚合物、电极化或额外活性填料；更重要的是，层间旋转角作为单一结构设计参数调控力学性能、穿刺诱导损伤信号和电导率而不改变聚合物化学、CNT负载或纤维组成。

**讨论与结论** 讨论部分指出，层合板力学优势源于中等层间旋转与有效界面耦合的结合，与3D打印Bouligand陶瓷30°最优及焊接仿生丝结构中界面介导载荷传递一致；A20最有效利用该组合。结构提供平衡力学与电灵敏度的手段而非单一最优。结论部分翻译如下：受蓝蟹（Callinectes sapidus）外骨骼分级Bouligand结构启发，研究人员将天然螺旋系统转化为嵌入CNT传感层的可生物降解电纺PLCL层合板设计，系统研究层合板结构对力学与机电性能的影响。20° Bouligand构型（A20）表现出最均衡响应，相较于随机堆叠层合板将弹性模量从0.94 ± 0.23 MPa提高至2.97 ± 0.92 MPa、拉伸强度从6.56 ± 0.75 MPa提高至8.97 ± 0.88 MPa，同时基本保留韧性。此外，层合板在穿刺前承受超过其厚度55至73倍的面外变形，嵌入CNT夹层无论结构如何均提供机械损伤的电学特征，A20在所测结构中结合最高耐穿刺性与最低电阻。采用工业相关热压转移工艺集成到常规纺织品后，层合板作为多功能可穿戴传感器能够感知触摸、应变、温度和重量，同时实现包括LED开关、浏览器信号可视化和机器人手控制在内的实时人机界面。这些多样功能使用同一无PFAS、可生物降解PLCL/CNT传感平台实现，电响应通过层合板结构而非聚合物组成或CNT负载变化编程。总体而言，研究人员证明Bouligand启发结构编程提供同时调控力学稳健性与多功能传感的简单策略，为结构健康监测、人机界面和下一代可穿戴电子建立可持续平台。