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自供电双模传感器：基于可压缩离子凝胶电解质同步检测温度与压力的创新研究

一、研究团队与发表信息
本研究由武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室Junjie Zou、Yanan Ma（通讯作者）等团队合作完成，合作单位包括湖北汽车工业学院、安徽大学及清华大学。论文标题为《Self-powered sensor based on compressible ionic gel electrolyte for simultaneous determination of temperature and pressure》，发表于期刊《InfoMat》（2024年3月），开放获取，DOI: 10.1002/inf2.12545。

二、学术背景与研究目标
电子皮肤（e-skin）需模仿人体皮肤的多功能感知能力，但现有传感器多局限于单一物理量（如压力或温度）检测，且依赖外部供电，限制了其轻量化与集成化发展。本研究旨在开发一种自供电双模传感器（SPDM），通过可压缩离子凝胶电解质（compressible ionic gel electrolyte）的离子动力学特性，同步解耦温度与压力信号，并利用机器学习实现高精度分类。其科学意义在于解决多模态传感中的信号干扰问题，并为柔性电子、人机交互等领域提供新方案。

三、研究流程与方法
1. 材料制备与器件设计
- MXene电极合成：通过HCl/LiF溶液蚀刻Ti3AlC2 MAX相制备Ti3C2Tx MXene纳米片，经真空抽滤成柔性电极，导电性达5992.3 S/cm。
- 离子凝胶电解质：以聚乙烯醇（PVA）、甘油（glycerin）和NaCl溶液制备可压缩凝胶，通过调控NaCl浓度（0–0.08 mol/L）和甘油含量（0–40 wt%）优化离子电导率与机械性能。
- 传感器组装：采用三明治结构（MXene/凝胶/Al），封装为5×5 mm²有效面积的柔性器件（图1e-g）。

1. 工作机制验证

   • 电化学驱动：MXene与Al电极间形成0.75 V电位差，离子传输受压力/温度调控（公式3）。
     
   • 压力响应测试：通过高精度电机加载0–800 kPa压力，电流密度随压力线性增加（灵敏度74.56 μA cm⁻²/%），阻抗谱（EIS）显示凝胶电解质电阻随压力下降（图2f-h）。
     
   • 温度响应测试：水浴中5–75℃范围内，电流密度随温度上升，Arrhenius方程拟合得到离子电导率活化能为0.21 eV（图3h）。
     

2. 机器学习信号解耦

   • 数据集构建：采集9类温度-压力组合（如10℃/100 mL至70℃/300 mL）的电流信号，每类50组数据。
     
   • 1D-CNN模型：6层卷积网络提取时域特征，区分压力（快速响应，τ≈799 ms）与温度（慢速响应，τ≈2.23 s）信号，分类准确率达99.1%（图5h）。
     

3. 应用验证

   • 健康监测：成功检测脉搏波（PS/PT/PD特征峰）、呼吸及关节运动（图4a-d）。
     
   • 电子皮肤阵列：5×5激光雕刻阵列实现空间压力-温度分布映射（图S31）。
     
   • 无线系统集成：基于MQTT协议实现实时数据传输（图4f-h）。
     

四、主要结果与逻辑链条
1. 压力传感性能：0.06 mol/L NaCl凝胶在800 kPa下电流提升300%，循环稳定性超1000次（图2k）。阻抗降低证实压缩缩短离子传输路径（图2h）。
2. 温度传感性能：75℃时电流密度为室温的2.5倍，滞后性（7.94 s）与热扩散速率相关（图3e）。
3. 双模解耦：机器学习利用响应时间差异分离信号，混淆矩阵对角线精度>99%（图5h）。

五、结论与价值
1. 科学价值：首次提出基于离子动力学的自供电双模传感机制，为多模态电子皮肤设计提供新范式。
2. 应用价值：无需外部供电，适用于可穿戴设备、智能机器人及火灾救援（图S26）。

六、研究亮点
1. 创新材料体系：MXene/Al电极组合提供高电位差，PVA/甘油凝胶兼顾压缩性与离子电导率。
2. 算法突破：1D-CNN实现单信号源下的多物理量高精度解耦。
3. 性能优势：压力检测范围（0–800 kPa）和温度范围（5–75℃）覆盖人体活动需求。

七、其他价值
- 无线传输系统（ESP8266模块）验证了实际应用可行性（视频S3）。
- 红外光响应实验拓展了非接触式传感场景（图4e）。

（注：文中所有专业术语首次出现时均标注英文原词，如“离子凝胶电解质（ionic gel electrolyte）”。）