液金属微滴赋能的多孔核鞘超纤维：生物运动传感与辐射个人热管理双功能集成

《Advanced Fiber Materials》：Liquid-Metal-Enabled, Bifunctional Core-Sheath Metafibers for Sensitive Biomotion Sensing and Radiative Personal Thermal Management

　　

将辐射冷却与电子传感相结合对下一代自适应可穿戴设备至关重要。然而，在单一纤维架构中同时实现高效光热调控与高灵敏生物运动传感仍具挑战。研究人员开发了多孔核鞘纤维，利用液金属(LM)双重效应，在单根纤维中集成运动传感与被动辐射冷却功能。封装于聚合物内的LM微滴同时作为可重构导电网络与光热调制单元。纤维机械鲁棒性优异，断裂伸长率超过1000%。基于压阻LM网络，纤维应变检测限达0.01%，响应时间62 ms，耐久超过20000次循环。同时，LM微滴兼具微尺度反射体与高效传热介质作用；多孔聚合物与LM微滴协同使织物太阳能反射率95.3%、中红外发射率96.1%，户外持续环境降温5.2–6.3 °C，年节能80–320 MJ m-2 year-1。该纤维可同时实现实时手势识别与个人热管理，为多功智慧纺织品提供平台。

研究背景方面，下一代可穿戴电子正迈向能同时感知人体生理与运动信号并主动调节局部微气候的自适应系统。被动无能耗的辐射冷却（radiative cooling）与敏感电子传感在物理原理上存在矛盾：辐射冷却依赖静态光学结构实现高太阳反射率（0.30–2.5 μm）与高大气窗口中红外发射率（8–13 μm），而敏感传感依赖动态可变形导电网络。传统多层堆叠或宏观分区集成会带来弱界面、模量失配、透气性差和柔性不足等问题，单纤维内协同集成光热调控与应变传感是材料与结构层面的科学难题。为此，研究人员提出以液金属（liquid metal, LM）为多功能构筑单元，在单根纤维中同时承载电荷传输、热输运与光?物质相互作用调控，从而开展本研究。相关成果发表于《Advanced Fiber Materials》。

关键技术方法上，研究人员采用三轴共轴湿法纺丝（triaxial coaxial wet-spinning），以PVDF-HFP/TPU/PEGDA为中间层聚合物体系、EGaIn LM为内层、去离子水为外层凝固浴，通过溶剂?非溶剂交换诱导相分离形成多孔鞘层与LM封装核；利用PVP与油酸改善LM悬浮液分散稳定性；借助SEM、XPS、XRD、FTIR、Raman、TGA表征物理化学结构；以I?V曲线、动态应变/压力/频率测试、20000次循环评估压阻传感；通过反射/发射光谱、热成像、香港户外台站与EnergyPlus建筑能耗模拟评估辐射冷却与节能潜力；并以深度学习残差卷积神经网络（CNN）处理传感手套信号进行手势分类。

研究结果部分，2.1 核鞘超纤维的制备与结构工程：通过三轴湿纺与UV固化获得连续核鞘纤维，SEM/光学显微确认均匀表面与清晰核鞘，孔隙鞘由相分离形成；PT-2%纤维在10–300%循环稳定，PTL-5%断裂伸长超1000%，单根纤维可承重百倍自重，证明可规模化与高机械弹性。2.2 超纤维的理化特性：织物质密度0.85 g cm^-3，核层平均孔径约48 μm、鞘层约200 μm；FTIR、XPS（Ga 3d显示Ga₂O/Ga₂O₃/In?Ga）、Raman红移、XRD与TGA表明聚合物交联、LM氧化物壳层及结构稳定性。2.3 PTL超纤维的生物运动传感性能：I?V呈线性欧姆接触，相对电阻变化ΔR/R₀对应GF 0.97，可辨0.01%–10%应变、0.05 Pa超低压力、0.5–4.0 Hz频率，响应62 ms/恢复75 ms，20000次循环稳定；CNN手势分类准确率99.575%，可检羽毛与毛发接触及动脉脉搏。2.4 双波段辐射冷却行为与户外实测：PTL热导率0.495 W m^-1 K^-1，太阳反射率95.3%，大气窗口发射率96.1%，净冷却功率104.49 W m^-2；香港晴日较棉布低约6.3 °C、较纯PVDF低约5.2 °C，阴天仍保持亚环境降温，证明多孔PVDF散射与LM微镜/导热协同。2.5 应用演示与大规模节能潜力：模型房屋PTL屋顶30 min后低6–8 °C，彩色车模覆盖后均降温5–8 °C且与颜色无关；EnergyPlus在16类气候30城显示年节能80–320 MJ m^-2 year^-1，热带城市节冷电5%–15%，温带3%–8%。

讨论部分总结指出，现有辐射冷却与传感多孤立优化或宏观拼凑，LM虽被研究但少见于单纤维微观尺度协同；本工作以LM微滴同时作导电通路、微反射体、导热通道，借助多孔PVDF鞘解决静态光学与动态导电不相容问题，在材料?结构协同层面提供可穿戴双功能纤维范式。结论部分译为：本研究报道一种LM赋能核鞘超纤维，在单片纤维架构内本质性实现辐射冷却与自传感功能集成。通过使LM微滴作为多功能基元，PTL超纤维同时实现用于生物力学传感的压阻可重构行为与用于被动热管理的双波段光调控。所制纤维兼具机械顺应性与可靠传感，织物具备高太阳反射与增强中红外发射，户外可持续亚环境降温；穿戴原型中成功集成手势识别与个性化控温。该工作确立材料?结构协同设计范式，以单一功能单元实现传统难共存的多功能，为下一代智能可穿戴提供可放大技术路径。