一、研究背景

隨著人機(jī)交互和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，可穿戴設(shè)備可以輕松、無創(chuàng)地收集生理數(shù)據(jù)信號(hào)，為健康監(jiān)測(cè)提供充足的信息。傳統(tǒng)傳感器受限于剛性，適應(yīng)性和信號(hào)傳輸能力較差，因此限制了其在新興領(lǐng)域的發(fā)展。相比之下，柔性傳感器能更好地與可移動(dòng)部件或任意彎曲表面兼容，可持續(xù)實(shí)時(shí)檢測(cè)生理和自然環(huán)境指標(biāo)值。柔性傳感器的基本傳感部件大多采用特殊形狀設(shè)計(jì)，將剛性導(dǎo)電無機(jī)材料與軟基材相結(jié)合，在一定程度上具有一定的伸縮性。

理想的柔性傳感器應(yīng)具有出色的柔韌性、伸展性和靈敏度，能夠檢測(cè)大范圍的應(yīng)變，從而能夠分辨人體運(yùn)動(dòng)。因此，傳感器的特殊微/納米結(jié)構(gòu)，如微裂紋皺褶結(jié)構(gòu)、蛇形結(jié)構(gòu)、三維螺旋結(jié)構(gòu)和紡織納米纖維結(jié)構(gòu)，可用于調(diào)節(jié)傳感器的伸縮性、檢測(cè)極限、靈敏度、再現(xiàn)性和響應(yīng)時(shí)間。人們一直致力于制造基于納米纖維的智能傳感器，這種傳感器與普通紡織品一樣，同時(shí)具有傳感和可穿戴特性。

據(jù)報(bào)道，熱拉伸技術(shù)、模板合成和水熱法可用于制造納米纖維。相比之下，電紡絲儀器因其通用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便、可靈活調(diào)節(jié)以生產(chǎn)連續(xù)和特定的納米纖維而在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中顯示出巨大潛力。在典型的電紡絲過程中，噴絲頭處的聚合物溶液或熔融液滴會(huì)積累電荷并在電場(chǎng)中產(chǎn)生大量靜電荷。隨著電壓的增加，當(dāng)液滴的表面張力與電場(chǎng)力平衡時(shí)，橢圓形液滴將被拉伸形成泰勒錐。超過臨界電壓后，液滴最初會(huì)以直線噴射方式從噴嘴噴出。在溶劑蒸發(fā)和彎曲不穩(wěn)定性的共同作用下，液滴會(huì)發(fā)生劇烈的晃動(dòng)、彎曲、拉伸并逐漸分裂，最后凝固在收集器上形成納米纖維（圖 1）。由于生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單可調(diào)、可紡材料種類繁多、工藝過程可控、納米纖維結(jié)構(gòu)可調(diào)，電紡絲技術(shù)可以高效地生產(chǎn)出滿足不同要求的纖維類材料。電紡納米纖維的形成受多種參數(shù)的影響，包括聚合物和溶液的性質(zhì)、電紡條件以及周圍的濕度和溫度?？梢酝ㄟ^控制實(shí)驗(yàn)參數(shù)或改進(jìn)電紡裝置來調(diào)整納米纖維的物理/化學(xué)性質(zhì)和形態(tài)?？傊?，可調(diào)電紡絲技術(shù)具有無限的可能性。

圖1.典型的電紡絲裝置示意圖。

通過將活性傳感材料與納米纖維基底相結(jié)合，柔性傳感器可以同時(shí)表現(xiàn)出高靈敏度和高滲透性。以往關(guān)于導(dǎo)電電紡納米纖維導(dǎo)體的報(bào)道主要集中在碳基材料（如石墨烯、碳納米管、碳?jí)K和碳納米顆粒等）、金屬基材料（如銀納米線、金屬納米顆粒和 MXene 等）。以導(dǎo)電聚合物為基礎(chǔ)的材料（如聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩及其衍生物和離子水凝膠）可通過適當(dāng)?shù)慕宦?lián)方法或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接電紡絲加工成納米纖維。

彈性體具有出色的拉伸性和加工性，是柔性傳感器的理想基材?？紤]到長(zhǎng)期可穿戴設(shè)備對(duì)透氣性的需求，開發(fā)基于彈性體納米纖維的柔性傳感器具有重要意義。然而，彈性體與導(dǎo)電填料之間的兼容性仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。關(guān)鍵在于如何建立穩(wěn)定的導(dǎo)電通路，并在高靈敏度和可拉伸性之間取得平衡。

本視角總結(jié)了電紡納米纖維作為可穿戴設(shè)備拉伸傳感器的最新進(jìn)展。首先討論了幾種可增強(qiáng)導(dǎo)電性的電紡納米纖維基材。然后，討論了電紡納米纖維的微觀結(jié)構(gòu)。在導(dǎo)電納米纖維的基礎(chǔ)上，提出了具有前景的應(yīng)用，以滿足可穿戴設(shè)備的需求（圖 2）。

圖2.導(dǎo)電電紡納米纖維及其應(yīng)用。

二、摘要

可穿戴設(shè)備在智能醫(yī)療、電子皮膚、人工智能機(jī)器人等領(lǐng)域備受關(guān)注。然而，基于剛性材料的傳統(tǒng)傳感器不受約束的自多層結(jié)構(gòu)組裝和致密基底在拉伸性和透氣性方面的局限性限制了它們的應(yīng)用。彈性納米纖維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其具有出色的透氣性和拉伸性。通過引入金屬納米填料、本征導(dǎo)電聚合物、碳材料等方法構(gòu)建導(dǎo)電通路，可以有效地利用彈性納米纖維制備出可拉伸導(dǎo)體，在柔性傳感器領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。本視角簡(jiǎn)要介紹了電紡法制備導(dǎo)電熱塑性聚氨酯、尼龍和水凝膠納米纖維的代表性方法，以及集成電子器件在生物信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用。主要挑戰(zhàn)在于如何統(tǒng)一纖維結(jié)構(gòu)的可拉伸性和導(dǎo)電性。

三、結(jié)論

本視角討論了電紡納米纖維作為可穿戴設(shè)備柔性傳感器的代表性進(jìn)展。研究表明，電紡絲儀器電紡彈性納米纖維（如熱塑性聚氨酯和尼龍）是具有出色拉伸性的理想基材。通過構(gòu)建連續(xù)的導(dǎo)電通道，它們可以用作令人滿意的可拉伸傳感器。含水量高的納米纖維水凝膠具有出色的抗疲勞性，是長(zhǎng)期可穿戴設(shè)備的理想材料。納米纖維的微觀結(jié)構(gòu)多種多樣，具有迷人的特性，可制成多功能導(dǎo)體。此外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是提高靈敏度和選擇性等傳感特性的有效模式。導(dǎo)電電紡納米纖維的分層結(jié)構(gòu)、高比表面積和多孔性有利于氣體擴(kuò)散和載體固定，有利于生物傳感器、應(yīng)變/應(yīng)力傳感器和 TENG。電紡納米纖維在未來的可穿戴設(shè)備中顯示出巨大的潛力。

盡管基于電紡納米纖維的柔性傳感器取得了令人驚嘆的進(jìn)展，但在實(shí)際應(yīng)用之前仍存在巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。首先，信號(hào)的再現(xiàn)性和穩(wěn)定性對(duì)于實(shí)際的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)至關(guān)重要?？紤]到大多數(shù)基于彈性體納米纖維的應(yīng)變傳感器，其固有的彈性粘彈行為和獨(dú)特的能量耗散機(jī)制會(huì)導(dǎo)致循環(huán)機(jī)械拉伸加載時(shí)的應(yīng)變滯后，不利于信號(hào)的再現(xiàn)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。導(dǎo)電填料與彈性基底之間的模量失配會(huì)影響復(fù)合材料的機(jī)電響應(yīng)性能，從而導(dǎo)致信號(hào)不穩(wěn)定。尋找一種簡(jiǎn)單、通用、可擴(kuò)展的方法來制備低滯后的可拉伸應(yīng)變傳感器仍有待探索。對(duì)于基于納米纖維的傳感器而言，闡明彈性體的能量耗散機(jī)制具有重要意義。為了進(jìn)一步拓寬可拉伸應(yīng)變/應(yīng)力傳感器在醫(yī)療保健、人機(jī)界面和人工智能等領(lǐng)域的應(yīng)用，應(yīng)在深入研究非線性響應(yīng)和信號(hào)重現(xiàn)性差等問題上多下功夫。

圖3.a) 熱塑性聚氨酯的分子結(jié)構(gòu)。導(dǎo)電電紡熱塑性聚氨酯納米纖維的制造技術(shù)，包括 b) 原位聚合。c) 超聲波處理。d) 浸涂。e) 自組裝

圖4.a) 由納米纖維組成的皮質(zhì)醇生物傳感器。b) Janus 織物帶和固定自行車活動(dòng)中的原位汗液監(jiān)測(cè)