一种用于水下运动监测和危险预警的仿生超疏水应变传感器

《Chemical Engineering Journal》：A bionic superhydrophobic strain sensor for underwater motion monitoring and hazard warning

　　

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  受生物启发的高性能仿生EGCP设计
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  EGCP传感器具备超疏水性、高灵敏度和耐用性
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  层状喷涂和激光微结构确保在水上和水下的稳定性
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  集成的EGCP系统可实现水下安全溺水报警

引言

柔性电子技术的快速发展为可穿戴设备、智能健康监测以及复杂环境下的人机交互创造了新的机会[1],[2],[3],[4],[5]。柔性电子皮肤的最新进展进一步扩展了其感知能力，使其在人机交互方面展现出更大的潜力[6]。其中，作为核心传感组件的柔性应变传感器，在监测人体微生理信号[7],[8],[9]、大规模运动跟踪[10],[11]以及极端环境下的安全预警系统[12],[13],[14]中展现出了不可替代的应用价值。最近，具有集成环境适应性和感知能力的多功能柔性传感器受到了越来越多的关注，为开发能够在复杂条件下运行的可穿戴电子设备提供了新的可能性[15]。目前，基于各种功能材料和结构设计的柔性传感器已成功研发出来[16],[17],[18],[19]。与此同时，基于MXene的弹性体复合材料因其优异的导电性、机械强度和化学可调性，成为柔性传感器的有力候选材料，为可穿戴电子产品和人机交互应用带来了新的机遇[20]。随着水下作业需求的增加以及水下运动产业的蓬勃发展，对能够实时监测水下生理信号的柔性传感器的需求也在上升。水下环境的复杂性和相关的安全风险凸显了能够捕获多种生理信号以准确评估游泳者身体状况的传感器的重要性。运动频率和幅度的变化反映了身体的疲劳程度，而实时的水下关节应变监测有助于评估潜水员的生理状态，这为确定是否需要水下救援行动提供了关键信息[21],[22],[23]。因此，开发用于水下应变监测的柔性传感器对于保护水下人员的安全具有重要意义[24]。

不幸的是，柔性应变传感器在实际应用中存在一些性能限制。由于水的导电性较强，水下环境中的传感器容易受到水介质的干扰[25],[26],[27],[28]，这严重影响了传感器对外部刺激的响应准确性和稳定性。通常采用物理隔离方法来防止传感器与水介质直接接触，从而保证传感器在水下的可靠运行[29],[30]。然而，这种方法仍存在不可忽视的技术瓶颈。在应变过程中，由于界面结合强度不足，封装层和传感层容易发生滑动[31],[32]，这直接破坏了传感信号的稳定性，最终降低了传感器的检测精度。即使采用了包装技术，液体仍可能渗到传感器表面，延长液体附着时间会加速封装层的老化，导致其防水性能逐渐下降。因此，这种现象缩短了传感器的水下使用寿命，并严重影响了其长期可靠性。一方面，如水下环境、高湿度以及化学腐蚀等复杂条件要求传感器具备出色的超疏水性，以防止信号漂移或因液体渗透而失效[33],[34],[35]；另一方面，在保证机械耐用性的同时实现高灵敏度和广泛应变范围仍是一个关键挑战。为了解决这一挑战，刘等人最近开发了一种具有优异伸展性和稳定性的微网格增强应变传感器[36]。他们的工作提供了一种通过合理的微结构设计来提高机械适应性和传感耐用性的有效结构强化策略。受到这些进展的启发，我们进一步考虑了机械变形和电信号稳定性的协同调控。在这项工作中，构建了一个石墨烯/碳纳米管（CNTs）双导电网络，其中柔性CNTs和石墨烯导电接触共同作用，确保在大变形过程中的稳定导电路径。

同时，高灵敏度材料在大应变下容易因导电路径断裂而失效，而宽应变范围的材料则难以检测到细微的变形信号[27],[37],[38]。因此，采用单一导电网络的传感器在平衡高灵敏度和广泛应变范围方面面临挑战[39]。此外，在复杂环境（如水下）中对信号稳定性、耐腐蚀性和与人体运动监测的兼容性的要求进一步增加了性能优化的难度[11],[40],[41],[42]，限制了柔性应变传感器在水下安全保护和潮湿环境中的健康监测等高级应用。幸运的是，经过数亿年的进化，自然界为我们提供了应对这些矛盾的复杂仿生范例。例如，蝴蝶翅膀具有微/纳米级分层结构，这种结构主要由脊状突起、孔隙和基底板组成。结合其表面的低自由能特性，这些翅膀不仅在雨天保持超疏水性以排斥水滴附着，还能在其灵活结构下适应频繁的变形——从而实现了疏水性能和机械柔韧性的最佳协同[43],[44],[45]。这种“结构-性能”集成优化策略为克服柔性应变传感器的性能瓶颈提供了宝贵的启示。

本研究受到超疏水蝴蝶翅膀结构的启发，开发了一种仿生EGCP柔性应变传感器。以Ecoflex作为柔性基底，通过层状（LbL）喷涂和弹性体界面固化技术制备了由石墨烯和碳纳米管（CNTs）组成的双导电网络。通过集成低表面能的PDMS涂层和激光图案化的条纹微结构，实现了微/纳米级结构和导电网络的精确调控。该设计解决了两个核心技术问题：首先，通过仿生微/纳米结构和PDMS涂层的协同效应，实现了超疏水性和机械耐用性的平衡；其次，通过整合石墨烯（具有高内在导电性和连续的平面网络）和CNTs（具有桥接导电路径和线性网络），建立了“平面-线性”协同机制，同时确保了高灵敏度和广泛应变范围。与之前报道的主要关注提升感知性能或表面润湿性的超疏水石墨烯/CNTs应变传感器，以及通常依赖封装策略实现防水功能的水下可穿戴传感器不同，本研究将石墨烯/CNTs双导电网络、PDMS涂层和激光图案化的仿生微结构整合到一个统一的传感平台上。这种集成设计同时优化了灵敏度、应变范围、机械耐用性和水下稳定性，为复杂水环境中的可靠应变监测提供了平衡策略，扩展了柔性电子产品在水下运动监测和智能可穿戴系统中的应用潜力。

章节片段

EGCP传感器的仿生设计与制造

经过数亿年的进化，生物学为人类仿生设计提供了丰富的灵感。一个显著的例子是超疏水蝴蝶翅膀，它结合了柔韧性和卓越的防水性能，使蝴蝶即使在雨天也能保持飞行稳定。雨水、露水和灰尘都无法附着在其表面，从而确保了飞行稳定性和安全性。如图1a所示

结论

本研究开发了一种仿生EGCP柔性应变传感器。通过仿生蝴蝶翅膀结构的设计和材料的协同优化，实现了超疏水性、高感知性能和机械耐用性的有效整合。该传感器的WCA为157.6°，WSA为5.7°，并且对各种液体具有出色的抵抗能力。即使在经过300次100克负载磨损、10,000次拉伸循环和180分钟超声波处理后，其性能依然保持良好

材料

Ecoflex来自深圳国源科技有限公司。碳纳米管（CNTs）的直径大约为10–30纳米。纯度超过90%（-COOH含量约为2wt%）的产品来自成都有机化学有限公司。在使用前，材料需先用无水乙醇彻底冲洗，然后通过氮气流干燥。石墨烯来自Del Future公司。PDMS和固化剂（Sylgard 184）均来自Dow公司

CRediT作者贡献声明

高汉鹏：指导。吕玉杰：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，概念化。王曦：指导。孟宗：指导。韩志武：指导。刘燕：指导。

利益冲突声明

我们声明与任何可能不当影响我们工作的个人或组织没有财务或个人关系。我们对任何可能影响手稿客观性的产品、服务或公司没有专业或个人利益

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52575347和U22A20183）、国家重点研发计划国际研究项目和战略创新项目（编号：2024YFE0105500）、河北省自然科学基金（编号：E2025203083）、河北省教育厅科研项目（编号：BJ2025064）以及仿生工程重点实验室开放项目（教育部）的支持

Hanpeng Gao|Yujie Lv|Xi Wang|Zong Meng|Zhiwu Han|Yan Liu