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面向实时人体运动检测的类皮肤应变传感器研究报告
一、研究概况
本研究由苏州大学纺织与服装工程学院的宋诗琪（Shiqi Song）、李喆（Zhe Li）、郭静雅（Jingya Guo）与方剑（Jian Fang），香港理工大学时装及纺织学院的史硕（Shuo Shi），以及浙江理工大学纺织科学与工程学院的王训该（Xungai Wang）合作完成。通讯作者为史硕、方剑和王训该。该研究成果于2026年5月21日被接收，发表在国际知名期刊 Advanced Functional Materials 上。
二、学术背景与研究目的
随着全球人口老龄化加剧和公众健康意识的提升，可穿戴健康监测技术正经历快速发展，深刻变革着个人健康管理、人机交互和运动科学等领域。作为核心元件，能够舒适贴合皮肤并实时监测生理与运动信号的柔性应变传感器需求激增。在众多传感机制中，电阻式应变传感器因其结构简单、信号易采集和高灵敏度而备受关注。
然而，传统基于金属或半导体的应变传感器存在固有的刚性、有限的传感范围以及与人体软组织显著的机械失配问题。其不可拉伸、不透气的特性导致佩戴不适，严重阻碍了在长期、连续健康监测中的应用。近年兴起的室温液态金属（Liquid Metal，LM）虽因其固有的流动性和超高延展性成为克服刚性填料在大形变下易断裂问题的理想候选材料，但其泄露、高表面张力、复杂加工和界面稳定性差等挑战依然存在。现有将液态金属与弹性体封装后机械压裂活化的策略，常因弹性体透气性差而牺牲佩戴舒适性。如何在一个材料体系中同时实现高拉伸性、高灵敏度、长期运行稳定性和类皮肤般的透气舒适性，是该领域的核心挑战。
针对上述瓶颈，本研究旨在开发一种高性能的电阻式类皮肤应变传感器。研究团队将静电纺丝技术与选择性按压工艺相结合，通过将液态金属颗粒（Liquid Metal Particles, LMPs）嵌入热塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethane，TPU）纳米纤维内部形成“结节”结构，再按需激活形成图案化导电通路，以期在保持多孔纤维膜高透气、高透湿性的同时，实现稳定、高线性的应变传感，为可穿戴健康监测和人机交互提供一种实用且性能均衡的解决方案。
三、研究流程与实验方法
本研究的工作流程主要包括四个阶段：传感器的制备与结构调控、性能表征与机理解析、佩戴舒适性与生物相容性评估、以及面向生理与运动信号监测的应用验证。
1. 传感器制备与微结构调控 研究者首先使用细胞破碎仪将液态金属（Ga75.5In24.5）在六氟异丙醇（Hexafluoroisopropanol，HFIP）溶液中超声破碎为均匀分散的微米级颗粒，然后将其与TPU混合配制纺丝液。通过静电纺丝技术（电压15 kV，纺丝距离15 cm，流速1 mL/h），制备出内部均匀嵌入LMPs的TPU/LM多孔纳米纤维膜。扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）表征显示，该方法在纤维中形成了规则的“结节”结构，其本质是LMPs的受控封装体。 导电性的引入依赖于一种关键的自创方法——选择性机械按压。通过施加局部受控压力，纤维内的LMPs结节破裂，流出的液态金属突破其表面氧化层，在纤维间形成液态桥接，从而构建连续导电通路。研究者系统探究了压力大小和持续时间对导电性的影响，确定了最佳压力条件（约1 MPa）。能谱色散谱（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）元素分析证实，按压后，镓（Ga）和铟（In）元素在选定区域呈密集连续分布，而碳（C）元素信号减弱，证实了图案化导电网络的形成。
2. 性能表征与传感机理分析 在核心性能评估阶段，研究者首先优化了LMPs的添加量。通过分析20至60 wt.%不同液态金属含量下的SEM照片，发现当含量超过40 wt.%时，纺丝性能恶化，纤维直径和结节形态的均匀性下降，导致膜拉伸强度（从9.89 MPa急剧降至1.13 MPa）和断裂伸长率（从238.74%降至130.55%）显著降低。综合考虑机械柔韧性和导电性（40 wt.%时电阻低至4.8 Ω），40 wt.%被确定为最佳掺杂量。 传感机理研究揭示，该传感器的应变响应基于导电网络的几何形变。当纤维膜被拉伸时，液态金属导电通路发生伸长、截面积减小甚至部分断开，导致电阻增加；释放后，聚合物网络的弹性回复驱动液态金属重新连接，电阻随之恢复。这种类金属的传导特性赋予了传感器极高的线性度，在100%应变范围内拟合系数R² > 0.99。其灵敏度（Gauge Factor，GF）约为1，属于中等灵敏度，能有效避免高灵敏传感器常见的信号过载和噪声干扰，同时保证了对快速拉伸的平滑响应。传感器响应时间为270毫秒，并在1000次循环拉伸测试中展现出优异的机电稳定性。
3. 佩戴舒适性、稳定性及生物相容性评估 佩戴舒适性是本研究重点考量的指标。实验结果显示，优化后的TPU/LM40纳米纤维膜的水蒸气透过率（Water Vapor Transmission Rate，WVTR）高达2296 g/m²/day，透气率达120 mm/s，这两个关键指标均与棉织物相当，远优于聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）等传统无孔薄膜。其水接触角超过130°，展现出优异的疏水性，保证了在汗液或水下环境中的稳定工作。在环境稳定性方面，传感器于25°C、60%相对湿度下存放5天后，电阻变化低于5%。生物相容性测试中，将传感器与商用凝胶电极、医用胶带同时贴敷于前臂4小时，仅本传感器覆盖的皮肤未出现任何红肿等不良反应，证明了其在长期佩戴中的皮肤友好性。
4. 生理与运动信号监测应用 在应用验证阶段，传感器首先展示了高效的皮肤-电极接口性能。在1至100 Hz的生理信号频段内，其皮肤接触阻抗与商用凝胶电极处于同一数量级，并能清晰贴合皮肤微观纹理。它成功采集到高质量的静态心电图（Electrocardiogram，ECG）信号，P波、QRS波群和T波清晰可辨。在动态运动监测中，传感器贴附于肘部、手指、手腕和膝盖等关节，准确捕捉了不同频率和类型的周期性运动，其电阻变化曲线与运动姿态精确同步，并能定量区分手指的不同弯曲角度。 为了提升交互智能化水平，研究团队进一步构建了一套基于支持向量机（Support Vector Machine，SVM）算法的智能手势识别系统。该系统采集了5名受试者0至6共七种手势的传感信号，通过特征提取和分类学习，实现了高达99.05%的识别准确率。此外，通过编程长短时间的手指弯曲来代表摩尔斯电码的“点”和“划”，该传感器还成功实现了“ASQ”、“VWJ”、“HELP”和“SOS”等信息的实时编码与传输。
四、主要结果与逻辑递进
研究结果呈现严谨的递进关系。首先，微观形貌与力学分析筛选出40 wt.%的最佳LM含量，为后续测试确定了基础材料配方。接着，导电活化与机理研究明确了压力调控形成导电网络的条件，并阐明了基于LM受控渗漏和几何形变的线性传感机理，这解释了为何传感器能获得高线性度（R² > 0.99）和良好的循环稳定性。进一步的舒适性测试结果（WVTR、透气性）论证了多孔纤维膜结构设计相较于传统弹性体封装的优越性，解决了“高透气”与“可拉伸传感”的固有矛盾。皮肤-电极界面阻抗和生物相容性测试则证实了该结构带来的安全、高效生理电信号采集能力。最后，运动监测、手势识别和摩尔斯电码输入等一系列递进式应用展示，将这些性能优势转化为实际的人机交互功能，特别是引入SVM后实现的高精度识别，验证了该传感器作为智能交互系统可靠数据源的价值。
五、研究结论与应用价值
本研究成果开发了一种基于TPU/LM复合纳米纤维的高性能电阻式类皮肤应变传感器。其科学价值在于提出了一种全新的“纤维内嵌-按压激活”策略，从根本上解决了液态金属在柔性基材中易泄露、界面不稳定的难题，同时保留了静电纺纤维膜的高孔隙率，实现了透气性与应变传感性能的统一。在应用价值层面，该传感器制造工艺简单、原材料成本低，具备规模化生产潜力。它凭借200%的断裂伸长率、类棉织物的透湿透气性、良好的生物相容性和水下工作稳定性，以及长达1000次的循环耐久性，为长期、舒适的可穿戴健康监测提供了一种可靠的解决方案。此外，它在智能手势识别、摩尔斯电码通讯等方面的成功演示，展示了其在智能人机交互领域的广阔应用前景。
六、研究亮点
本研究的亮点主要体现在三个层面。第一，结构设计的新颖性：不同于将液态金属简单涂覆于纤维表面或封装于弹性体内部，研究首创性地将液态金属以“结节”形式嵌入单根纤维内部，再通过可控按压原位激活，实现了导电通路与多孔柔性基底的一体化、图案化集成。第二， 性能的极致均衡：该传感器在拉伸性、线性度、灵敏度、响应速度、循环稳定性和佩戴舒适性（透气、透湿、皮肤友好）等多个相互制约的关键参数之间取得了极佳的平衡，突破了传统传感器在此类性能上的权衡。第三，应用的智能化拓展：研究不仅验证了基础的信号监测功能，更进一步引入机器学习算法，构建了从信号采集到模式识别的完整智能系统，为柔性传感器在自然人机交互中的深度应用提供了范例。