本文介绍一项发表在《international journal of extreme manufacturing》期刊上的原创性研究工作，题目为“A Fully Integrated Electronic Fabric-Enabled Multimodal Flexible Sensors for Real-Time Wireless Pressure-Humidity-Temperature Monitoring”（一种用于实时无线压力-湿度-温度监测的全集成电子织物赋能多模态柔性传感器）。这项研究由来自厦门大学、宾夕法尼亚州立大学、中国空间技术研究院兰州物理研究所、中国科学院深圳先进技术研究院、西安电子科技大学、中北大学以及澳大利亚国立大学等多个机构的联合研究团队完成，第一作者为赵云龙（Yunlong Zhao），并列第一作者包括杨博原（Yangbo Yuan）和张海燕（Haiyan Zhang），通讯作者为薛晨阳（Chenyang Xue）、尹宗友（Zongyou Yin）和高利斌（Libo Gao）。该研究论文于2024年8月14日正式在线发表。

研究的学术背景 本研究的核心科学领域是柔性电子学、可穿戴传感技术与生物医学工程。随着全球人口老龄化加速和疾病预防意识增强，对人体生理信息进行实时、持续、非侵入式监测的需求日益迫切。当前，虽然针对单一生理参数（如压力、湿度、温度）的柔性传感器已有广泛报道，但能够同时监测多种生理信号的集成化传感器平台仍然缺乏。此外，大多数柔性传感研究仅关注传感前端，数据采集和传输仍需依赖笨重、昂贵且有线连接的外部设备，这限制了其在长期、舒适穿戴场景下的实际应用。因此，开发一种集传感、信号处理与无线传输于一体的“一体化”柔性传感系统，是推动可穿戴电子设备走向实际应用和产业化的关键挑战。本研究旨在应对这一挑战，提出并实现一种基于低成本电子织物的多功能集成传感平台，能够同时无线监测人体压力、皮肤表面湿度和环境温度。

研究工作的详细流程 本研究工作流程清晰，可分为以下几个主要阶段： 第一阶段：传感材料的制备与表征。 研究的核心基材是回收自废弃医用口罩的无纺布（nonwoven fabric, NWF）。首先，研究人员对NWF进行无水乙醇和去离子水超声清洗并干燥，随后使用氧等离子体进行彻底清洁。接着，通过浸渍涂覆法，将清洁后的NWF浸泡在预先制备的MXene（Ti3C2Tx）纳米片水分散液（5 mg/mL）中1分钟，取出后在50°C下干燥1小时，制得MXene修饰的无纺布（MXene/NWF）。MXene是一种具有优异导电性和亲水性的二维层状材料。通过扫描电子显微镜（SEM）观察了NWF和MXene/NWF的形貌，证实MXene均匀地包覆在NWF纤维表面。能量色散X射线光谱（EDS）元素面分布图进一步验证了MXene的均匀分布。通过单轴拉伸试验和弯曲循环试验，表征了MXene/NWF复合材料的力学性能和耐久性，发现MXene涂层显著提高了NWF的杨氏模量、拉伸断裂强度和极限应变，并经过4000次180度弯曲循环后电阻变化极小（<0.05），显示出优异的机械鲁棒性。X射线光电子能谱（XPS）分析揭示了MXene与NWF纤维界面之间存在C-Ti化学键，这被认为是材料机械性能增强的原因。 第二阶段：三种独立柔性传感器的设计与制造。 1. 压力传感器：该传感器采用多层结构。底层为带有叉指电极的聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthalate, PET）基板。中间层为作为介电层/敏感层的MXene/NWF。在敏感层上方，通过间隔层（spacer）和半球形突起结构（dome-shaped structure）形成一个微腔，顶部再覆盖PET薄膜并用3M双面胶密封。半球形突起结构有助于增强力敏效应并适应身体复杂轮廓。 2. 湿度传感器：将MXene/NWF附着在PET基板上，使用355纳米紫外激光器，以60 kHz脉冲频率和1000 mm/s的速度进行激光切割，重复5次，刻蚀出蛇形（serpentine）结构的敏感图案。蛇形设计旨在最小化机械弯曲对传感器信号的串扰。最后用多孔PET层覆盖以增强结合。 3. 温度传感器：采用丝网印刷技术，将九种不同变色温度（5°C, 10°C, 15°C, 18°C, 22°C, 25°C, 32°C, 37°C, 65°C）的热致变色液晶（Thermochromic liquid crystals, TLCs）墨水通过300目丝网印刷到NWF基底上，随后在50°C下加热1小时固化。TLCs内含微胶囊，其颜色随温度变化，从而实现温度的可视化监测。 第三阶段：传感器性能测试与优化。 使用机械测试机、电化学工作站、LCR阻抗分析仪等设备，系统地表征了各传感器的性能。对于压力传感器，测试了其灵敏度、压力检测范围、响应/弛豫时间、循环稳定性以及在不同温度、湿度环境下的抗干扰能力。通过调整MXene浸渍涂覆次数（0-5次）和间隔层尺寸（6mm, 6.5mm, 7mm）来优化传感器性能，最终确定涂覆3次、间隔层为6.5mm时性能最优。对于湿度传感器，将其置于不同饱和盐溶液创造的特定湿度环境中，测试其电阻变化与湿度的关系、响应/弛豫时间及循环稳定性。同时测试了其在压力、温度变化下的交叉敏感性。对于温度传感器，使用恒温加热台控制温度，观察并记录其颜色变化过程、响应速度以及在不同温度区间的颜色显示。 第四阶段：系统集成与应用验证。 将上述三种传感器（温度传感器在最底层，湿度传感器在中层，压力传感器在顶层）与一个柔性印刷电路板（Flexible Printed Circuit Board, FPCB）集成，构建出一个完整的原型设备。FPCB上集成了低功耗8位微处理器（Atmega328P）、电源管理芯片（AMS1117-3.3）、蓝牙模块（CC2640）以及一个40 mAh的锂电池，整个设备重量小于3克。集成后的传感器通过导电银浆与FPCB上的铜电极连接，并用聚二甲基硅氧烷（PDMS）进行封装。最后，在健康志愿者身上进行了实际应用测试。测试方案获得了厦门大学医学伦理委员会的批准。传感器被贴附在志愿者身体的不同部位（如手掌、手肘、肩膀、小腿），在不同姿势（平躺、左侧卧、右侧卧）下长时间监测压力与湿度数据。同时，将温度传感器贴在手背和衣物表面，测试其在正常体温、发烧、舒适室温和寒冷条件下的颜色响应。所有数据通过蓝牙无线传输至云端和移动设备平台进行实时显示和记录。

主要研究结果 1. 压力传感器性能卓越。 基于MXene/NWF的柔性压力传感器表现出优异的性能。得益于MXene/NWF独特的粗糙表面纹理、分层结构以及MXene涂层引入的高导电通路，该传感器在0-15 kPa低压区间灵敏度高达400 kPa⁻¹，在15-150 kPa高压区间灵敏度更是达到1529.1 kPa⁻¹，监测范围宽达150 kPa，完全满足人体压力检测需求。传感器具有快速的响应时间（25 ms）和弛豫时间（30 ms）。经过4000次75 kPa压力下的压缩-释放循环测试，传感器信号漂移极小，表现出出色的稳定性。此外，传感器在25°C至55°C的温度范围以及60%至90%的相对湿度范围内，灵敏度变化非常小，显示出良好的抗环境干扰能力。 2. 湿度传感器灵敏度高且抗干扰。 MXene/NWF湿度传感器表现出极高的湿度监测灵敏度，其电阻变化与相对湿度呈优异的线性关系（R² > 0.99）。传感器响应时间为15秒，弛豫时间为50秒，与文献中同类传感器相比具有快速响应能力。循环测试证明了其出色的稳定性。交叉敏感性测试表明，在不同压力（5-140 kPa）和温度（20-60°C）条件下，传感器对湿度的响应保持相对稳定，变化很小（相对电阻变化<0.05）。实验还证明，即使隔着纺织物模拟衣物，传感器仍能有效检测皮肤表面的湿度变化。在呼吸监测应用中，传感器能有效捕捉呼吸频率和强度。 3. 温度传感器实现可视化宽范围监测。 基于丝网印刷TLCs的温度传感器，在0°C至65°C的宽温度范围内，通过颜色变化实现直观、非接触式的温度可视化。传感器将温度区间划分为冷（低于15°C）、舒适（18°C–25°C）和热（高于31°C）三个区域，每个区域使用三种不同变色温度的墨水，可实现精确指示。传感器响应快速，在26°C皮肤上10秒内即发生颜色变化，并且具有可重复使用性（颜色在0°C重置）。多孔的NWF基底确保了良好的透气性和散热性，不影响人体热调节。 4. 集成系统成功实现多参数实时无线监测。 集成后的传感贴片原型设备被成功应用于人体多生理参数监测。实验结果表明，该系统能够长时间、稳定地监测身体不同部位（如手腕、手肘、肩膀、小腿）在各种姿势下的压力分布和局部湿度变化。例如，平躺时肘部承受压力最高，侧卧时体重主要支撑侧的肢体和肩膀压力增大，而对侧压力几乎降至零。湿度监测显示，在平躺姿势下，手部和肘部的湿度高于肩膀和腿部。温度传感器成功演示了对正常体温（35.9°C）、发烧状态（38.2°C）、舒适室温（25°C）和寒冷条件（5°C）的视觉区分。所有数据均可通过蓝牙无线传输至手机和云端界面进行实时观察和记录，验证了该一体化无线传感平台的实际可行性。

研究的结论与价值 本研究成功开发了一种基于低成本、透气电子织物的全集成多模态柔性传感系统，用于实时无线监测人体压力、湿度和温度。该工作的核心价值在于：科学价值方面，它展示了如何通过材料工程（MXene改性无纺布）、结构设计（半球形突起、蛇形走线）和制造工艺（激光切割、丝网印刷）的协同创新，将多种高性能传感器集成到一个轻薄、柔韧、透气的织物平台上，并解决了传感前端与无线信号处理后端一体化集成的关键技术挑战。应用价值方面，该系统为健康监测（如预防压疮、监测伤口愈合环境、评估术后恢复）、环境感知以及针对老年人和儿童等脆弱人群的长期、舒适、非侵入式监护提供了一个高效、全面的解决方案原型。该平台成本低、可扩展性强（无纺布基底易于激光加工成任意形状），为未来低成本可穿戴传感器的构建提供了创新的范式和可行的技术路径。

研究亮点 1. 材料创新与环保理念：创新性地利用废弃医用口罩的无纺布作为柔性基底，不仅赋予传感器良好的透气性和机械性能，还为电子废弃物回收利用提供了新思路，兼具环境友好和经济性。 2. 高性能多模态传感集成：在一个平台上同时集成了高灵敏度、宽量程的压力传感器，高线性度、抗干扰的湿度传感器，以及宽范围、可视化的温度传感器，实现了对人体关键生理和环境参数的综合监测。 3. 独特的传感机制与结构设计：压力传感器利用MXene/NWF的独特结构和MXene的优异电学特性，实现了高压下的超高灵敏度；湿度传感器采用蛇形结构有效降低了机械弯曲串扰；温度传感器利用TLCs实现无需外接元件的直观视觉反馈。 4. 真正的全集成无线系统：不仅研制了高性能传感器，更进一步将其与定制的FPCB电路（包含微处理器、蓝牙模块和电池）集成，构建出独立工作的“片上系统”原型，实现了数据的原位采集、处理和无线传输，向实用化迈出了关键一步。 5. 充分的实际应用验证：研究不仅进行了详尽的实验室性能表征，还设计了严谨的人体实验，在真实场景下验证了该系统对多部位、多姿态下压力、湿度、温度信息的长期、实时、无线监测能力，证明了其应用潜力。

其他有价值的内容 研究中对MXene/NWF复合材料界面相互作用的深入分析（通过XPS证实C-Ti键的存在），为理解其增强的机械性能和稳定的电学性能提供了理论依据。此外，研究团队对传感器进行了详尽的交叉敏感性（温漂、湿漂、压力对湿度测量的影响等）和长期稳定性测试，这些工作增强了研究结果的可靠性和说服力，为后续的实际应用奠定了坚实的基础。