本研究由Xin He等人完成，主要作者来自五邑大学应用物理与材料学院、河南大学特种功能材料教育部重点实验室、广东工业大学材料与能源学院以及五邑大学纺织材料与工程学院。通讯作者为Xin He（hexinwyu@126.com）和Guofa Cai（caiguofa@126.com）。该研究于2021年发表在《npj Flexible Electronics》期刊上，文章编号为5:17，DOI为https://doi.org/10.1038/s41528-021-00114-y。

该研究属于柔性电子传感器领域，具体聚焦于电容式压力传感器（capacitive pressure sensor）的性能优化。近年来，随着人工智能和物联网的快速发展，能够监测人体运动和生理信号的柔性应力传感器在健康监护、人机交互和可穿戴电子设备中受到广泛关注。电容式传感器因其制备简单、抗干扰能力强和长期稳定性好而被深入研究，但其低灵敏度和有限的检测范围限制了进一步应用。为突破这一瓶颈，研究者们尝试引入微结构、仿生结构以及复合电极材料等策略。本研究旨在同时实现宽检测范围、高灵敏度和长期稳定性，以满足从小刺激（如说话、吹气）到超高负载（如突然击打产生的数百千帕冲击力）的多样化应用需求。

研究的工作流程主要分为四个步骤：材料制备、介电层微结构复制、传感器组装和性能测试与模拟。第一步是制备银纳米线（Ag NWs）和MXene（Ti₃C₂Tₓ）两种导电材料。Ag NWs采用水热法合成：将硝酸银、葡萄糖和硫酸铁溶于蒸馏水，加入聚乙烯吡咯烷酮（PVP）搅拌后转入高压反应釜，在180℃下热处理9小时，经离心收集后分散于乙醇中。MXene则通过选择性刻蚀Ti₃AlC₂前驱体获得：将LiF溶于9 M盐酸后加入Ti₃AlC₂粉末，在35℃搅拌48小时完成刻蚀，洗涤至pH为6后超声处理2小时，得到少层MXene纳米片。第二步是制备微结构PDMS介电层。以天然蛋壳内膜（eggshell inner membrane，ESIM）为模板，将PDMS预聚物与固化剂按10:1混合后滴加在干燥的ESIM表面，在60℃固化4小时后剥离ESIM，得到具有倒置纤维网络微结构的PDMS介电层。第三步是组装电容式压力传感器。将Ag NWs与MXene按5:1重量比混合，通过真空抽滤在滤膜上形成复合电极，再浇注PDMS并固化，最后去除滤膜使导电材料嵌入PDMS表面。将两片电极与微结构PDMS介电层裁剪为10 mm×10 mm后组装成三明治结构器件。作为对照，还制备了使用平面PDMS介电层的平板传感器。第四步是性能表征。使用扫描电子显微镜（SEM）观察介电层和电极形貌，X射线衍射仪（XRD）表征材料组成，原子力显微镜（AFM）测定MXene厚度，Zetasizer测试材料表面电位。传感器性能通过推拉力计施加应力，LCR测试仪实时记录电容变化，测试频率为500 kHz。此外，利用COMSOL 5.4软件进行有限元分析（finite element analysis，FEA），构建微结构和平面介电层模型，模拟不同压力下的应力分布和形变位移。

研究结果显示，ESIM由平均直径约1 μm的纤维蛋白构成互连网络结构，其倒置微结构成功转移到PDMS表面。MXene刻蚀后呈多层结构，元素分布均匀，剥离后得到厚度约5 nm（约4-5层）的纳米片，平均尺寸约100 nm，与Ag NWs直径相近。由于MXene表面带负电（zeta电位为−33.9 mV），Ag NWs表面带正电（+0.884 mV），两者通过静电吸附紧密结合，复合材料的zeta电位为−18 mV，形成了稳定的导电网络。传感器性能测试表明，平板传感器的电容变化在100 kPa时约为50%，灵敏度仅为4.37 MPa⁻¹，且超过100 kPa后趋于饱和。而微结构传感器可在0–600 kPa范围内工作，在0–100 kPa内灵敏度提高至10.13 MPa⁻¹，在100–400 kPa和400–600 kPa高压范围内灵敏度分别提高54.3倍和95.7倍。有限元模拟显示，微结构传感器在相同压力下比平板传感器产生更大的形变，应力集中在微结构凸起处，随着压力增加，电极与介电层接触面积逐渐增大，电极间距减小，从而导致更大的电容变化。微结构传感器响应上升时间为280 ms，下降时间为290 ms，但受推拉力机移动速率（2.5 N/s）限制，实际响应时间可小于50 ms。检测限低至16 mg（一粒米的重量的加载/卸载可被识别）。在10–45 kPa的不同压力下，传感器表现出稳定的阶梯波和方波响应，在三种不同加载速度（0.10、0.25和2.50 N/s）下电容响应一致。在40 kPa下持续加载/卸载超过20000秒（1800个循环）后，电容仍能恢复初始值，无明显幅度变化。经过150天后再次测试，电容变化保持恒定。人体活动演示表明，传感器可检测说话时声带振动、吹气、握拳、手指/肘部/膝盖弯曲、行走等动作，并能通过阵列区分足底压力分布，还可响应指尖、不锈钢锥和笔尖的反复强击打。

研究的结论是：通过在介电层引入源自蛋壳内膜的纳米级纤维微结构，并采用MXene/Ag NWs复合粗糙电极，成功制备了兼具高灵敏度、宽检测范围（0–600 kPa）、低检测限（<16 mg）、快速响应（毫秒级）和长期稳定性的电容式压力传感器。微结构使传感器在相同压力下产生更大形变，增加接触面积并减小电极间距；粗糙电极提供了更多空隙，增大了电容变化；微结构单元间的空气间隙随压力增大被PDMS填充，提高了等效介电常数。该传感器在健康监护、软体机器人、人机交互和可穿戴设备领域具有良好的应用前景。

研究的亮点在于：利用天然蛋壳内膜作为模板，获得了精细的纳米级纤维倒置微结构，相比其他仿生模板更具结构优势；采用一维Ag NWs与二维MXene的静电自组装复合材料，有效抑制了MXene的重新堆叠，形成稳定的导电网络，显著提升了传感器在高压范围和长期循环下的稳定性；有限元模拟与实验相结合，阐明了微结构提升传感器性能的力学机制。此外，传感器展示了从微弱生理信号到高冲击力的宽范围检测能力，体现了其在多样化实际场景中的适用性。