《Advanced Materials Interfaces》：Deep Eutectic Solvent-Enhanced PEDOT: PSS/NR Foam Piezoresistive Sensor for High-Sensitivity Wearable Devices and Sleep Monitoring Applications
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对人类运动监测日益增长的需求引起了人们对高灵敏度可穿戴设备的极大关注。导电聚合物PEDOT: PSS已被广泛用于可穿戴传感器，然而PSS的存在对这些传感器的电导率和灵敏度有显著影响。为解决这一问题，研究人员通过合理组合天然胶乳、PEDOT: PSS和低共熔溶剂
对人类运动监测日益增长的需求引起了人们对高灵敏度可穿戴设备的极大关注。导电聚合物PEDOT: PSS已被广泛用于可穿戴传感器，然而PSS的存在对这些传感器的电导率和灵敏度有显著影响。为解决这一问题，研究人员通过合理组合天然胶乳、PEDOT: PSS和低共熔溶剂（DES），开发了一种高性能的DES/PEDOT: PSS/NR泡沫压阻传感器。作为一种经济且具有生物相容性的溶剂，DES与PEDOT: PSS发生强烈相互作用，诱导PSS从PEDOT上微观脱离，并增加导电PEDOT的接触机会。通过这些相互作用，泡沫传感器的电导率提高了近3.9倍，灵敏度提高了约4.5倍。所制备的泡沫具有优异的机械性能，包括优越的柔韧性和弹性。此外，DES和PEDOT: PSS的协同效应使泡沫传感器具有宽响应范围（0–180 kPa）、高灵敏度（11.18 kPa?1）、快速响应时间（57 ms）和恢复时间（55 ms）。该传感器能有效监测各种人体活动和关节运动，并可检测呼吸等细微运动，在睡眠监测中表现卓越。总之，所制备的DES/PEDOT: PSS/NR泡沫传感器在可穿戴设备及其他领域展现出巨大潜力。
论文解读：DES/PEDOT: PSS/NR泡沫压阻传感器用于可穿戴与睡眠监测
随着可穿戴电子、运动监测和物联网的快速发展，开发类皮肤传感器成为研究热点。压阻式传感器因尺寸小、灵敏度高和响应范围广而受到广泛关注，但传统基于金属或半导体的压阻传感器刚性较强，难以满足柔性可穿戴需求。为克服这一限制，微结构传感策略应运而生。其中，多孔聚合物材料凭借开孔结构、大比表面积和柔韧性，成为压阻传感器的理想选择。天然橡胶（NR）具有良好柔顺性、高强度、优异弹性、低成本等特点，以其为基体的多孔泡沫传感器展现出广阔前景。导电聚合物PEDOT: PSS虽在水中分散性好、可有效分散于天然胶乳，但PSS的绝缘性会降低传感器电导率。因此，对PEDOT: PSS进行后处理十分关键。离子液体（ILs）可提升PEDOT: PSS整体电导率，但具有高毒性和难降解性，不适合与人体皮肤密切接触的柔性传感器。低共熔溶剂（DES）作为离子液体的替代品，具有类似优势且毒性低、生物相容性好。研究选用由氯化胆碱和尿素组成的天然低共熔溶剂，其前体为广泛存在的营养物质和代谢产物，安全性高。然而，如何通过DES有效调控PEDOT: PSS的相分离并同时保持泡沫的机械性能，仍需深入探索。针对上述问题，研究人员提出采用一步“一锅法”混合策略，将NR胶乳、DES与PEDOT: PSS同步复合，制备高性能DES/PEDOT: PSS/NR（DPN）泡沫压阻传感器。该策略避免了预处理PEDOT: PSS导致的疏水PEDOT快速团聚，使DES在动态脱离PSS的同时，周围的NR颗粒能及时限制并稳定新暴露的PEDOT区域，从而形成高度均匀的三维互连导电网络。相关成果发表在《Advanced Materials Interfaces》上。
研究中用到的主要关键技术方法包括：以氯化胆碱和尿素按1:2摩尔比合成DES；采用“一锅法”将NR乳胶、DES、PEDOT: PSS水分散液及橡胶助剂混合，经机械高速搅拌发泡、浇铸并热固化制备泡沫传感器；利用X射线光电子能谱（XPS）表征PSS/PEDOT比例变化；通过拉力试验机进行压缩应力-应变循环测试评价机械性能；采用数字万用表或电阻测量系统记录不同压力、应变、温度、湿度条件下传感器的电阻变化，以评估其压阻传感性能、响应恢复时间、耐久性及呼吸监测应用。
3.1 泡沫的机械性能
DPN泡沫可被压缩至80%应变并能迅速恢复原状，无开裂损伤，表现出良好的机械可恢复性和回弹性。泡沫可轻松置于叶片上，表明其超轻特性；还可弯曲、扭转甚至打结而保持完整，这归因于高度弹性的三维互连NR骨架。在最大压缩应变为50%时，引入DES和PEDOT: PSS后泡沫压缩应力下降约14%，原因是PEDOT: PSS分散液引入的水分在固化时蒸发产生额外微孔，使强度与模量降低。多种应变下的压缩-释放循环测试表明泡沫具有优异的可逆压缩性。10次80%应变循环压缩测试显示，应力在60%应变以下缓慢增加，超过60%后因骨架紧密接触致密化而急剧上升；压缩-恢复循环中出现的滞后回环源于聚合物网络内部摩擦和孔壁可逆变形。
3.2 DES与PEDOT: PSS的相互作用
PEDOT: PSS由导电PEDOT核心和非导电PSS壳层构成。XPS分析显示，DES处理前PSS/PEDOT比例约为2.47，处理后降至1.65，表明DES能有效将PSS链从PEDOT核心上脱离。机理上，DES中作为氢键受体（HBA）的氯化胆碱可与PSS中磺酸基的氧原子形成氢键，类似二次掺杂作用削弱PEDOT与PSS间的静电吸引，使PSS动态脱离，而脱离后的PSS仍保留在弹性体基质中，新暴露的PEDOT区域发生局部自聚集，形成连续的三维电子渗流通路，从而显著提升宏观电导率。因此，DPN泡沫传感器的电导率比未加DES的PN泡沫传感器提高近3.9倍。
3.3 泡沫的传感性能
将DPN泡沫用导电银胶附着于铜片上制成传感器。发光二极管（LED）亮度随压缩应变增加而增加，表明电阻在压缩过程中下降。传感器在不同压力（5、10、30、50、80、160 kPa）压缩-释放循环中信号高度重合，具有出色的稳定性和可重复性；不同压缩速率下信号同样稳定。所有泡沫传感器均表现出负压阻效应，即压缩使骨架接触、形成更多导电通路而电阻降低。DPN泡沫灵敏度显著高于DN泡沫和PN泡沫，归因于DES离子传输通道与PEDOT电子通路在压缩时同步调制，产生同向电阻变化，协同放大相对电阻变化。灵敏度曲线可分为四个线性区域：0–5 kPa时灵敏度为11.18 kPa
?1，5–11.5 kPa时为3.184 kPa
?1，11.5–80 kPa时为0.2883 kPa
?1，80–180 kPa时为0.1066 kPa
?1。与未处理PN泡沫相比，DES处理后的灵敏度提高近4.5倍，并优于近期文献报道的多种传感器。在1%压缩应变、500 mm/min速率下，响应和恢复时间分别为57 ms和55 ms。经1000次5 kPa压缩循环后信号峰高度可重复，仅初始阶段出现轻微基线漂移，归因于橡胶基质的粘弹性蠕变（Mullins效应）和刚性PEDOT: PSS涂层的微结构重排，随后达到稳定的动态机电平衡。
3.4 泡沫的运动检测行为与温度传感
DPN泡沫传感器在反复按压、弯曲和扭转时均产生稳定信号，并能识别手指不同弯曲角度、手腕弯曲和肘部弯曲等不同身体部位的运动。信号形状和强度随身体部位而变化，可用于区分运动类型并评估强度。防潮测试表明，在11%–33%RH、75%RH和95%RH的加湿-除湿循环中，响应随湿度增加而增大；模拟出汗环境下的手指弯曲监测显示，汗液对传感器影响较小，动态力学信号具有良好抗干扰能力。此外，传感器具有温度传感能力，温度升高时PEDOT电导率增加且DES中离子迁移速率加快，导致电阻下降。在25°C–45°C范围内，电阻变化随温度升高而逐渐减小；冷热交替循环测试中表现出优异的重复性和稳定性。
3.5 呼吸监测
传感器可贴附于鼻旁、口边监测呼吸气流，以及口深呼吸。随着传感器与口距离从5 cm增至20 cm，信号逐渐减弱。运动后呼吸监测表明，跑步速度越快，检测到的呼吸信号越强。睡眠监测中，将传感器用医用胶带固定于腹部和胸部，正常呼吸时信号规则一致，而当志愿者故意屏气模拟呼吸暂停时，信号变为平直线。不同身体部位监测结果相似，可避免单一监测造成的误差干扰，提高监测可靠性和准确度，对呼吸疾病早期预警具有重要价值。
讨论与结论：研究人员通过同步“一锅法”混合策略，实现了DES对PEDOT: PSS的动态修饰和NR对新暴露PEDOT的稳定化，构建了均匀三维导电网络。DES与PEDOT: PSS的协同作用、多孔结构及机械弹性共同赋予传感器宽响应范围、高灵敏度、快速响应恢复和优异耐久性。该传感器成功应用于人体关节运动、呼吸和睡眠监测，并在温度传感方面表现出潜力。总之，所制备的DES/PEDOT: PSS/NR泡沫传感器是未来可穿戴设备和睡眠监测应用的有前景候选者。
