在智能人機(jī)交互與健康監(jiān)測(cè)技術(shù)快速發(fā)展的今天，電子皮膚和可穿戴設(shè)備對(duì)多物理量感知能力的需求日益迫切。溫度和壓力作為環(huán)境和生理監(jiān)測(cè)的兩項(xiàng)基礎(chǔ)參數(shù)，其同步檢測(cè)對(duì)于全面信息交互至關(guān)重要。尤其在術(shù)后康復(fù)壓力衣、瘢痕管理等實(shí)際應(yīng)用中，同時(shí)監(jiān)測(cè)體表壓力分布與局部組織溫度變化具有顯著的臨床價(jià)值。然而，現(xiàn)有基于聚合物薄膜的柔性傳感器往往存在厚度大、透氣性差的問題，長期佩戴舒適性不足。盡管織物因其固有的多孔性、柔順性和皮膚相容性被視為理想的可穿戴平臺(tái)，但如何在保持織物固有特性的同時(shí)，將高性能雙模傳感器可靠地集成到織物基底中，并實(shí)現(xiàn)有效的信號(hào)解耦，仍是該領(lǐng)域面臨的一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述難題，武漢大學(xué)吳偉教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種柔性、超薄且信號(hào)解耦的溫壓雙模傳感電子織物（DMTP-ETex）。該研究利用碳黑/多熔點(diǎn)丙烯酸酯共聚物/尼龍透明漿料復(fù)合油墨，通過多階段熔融相變機(jī)制實(shí)現(xiàn)了高達(dá)125.9%/℃的超高電阻溫度系數(shù)和0℃至50℃的寬溫度傳感范圍。同時(shí)，基于離子雙電層效應(yīng)的電容式壓力傳感單元展現(xiàn)了62.3 kPa?1的高靈敏度以及30毫秒/60毫秒的快速壓力響應(yīng)與恢復(fù)時(shí)間。通過集成機(jī)器學(xué)習(xí)算法，該織物能夠精準(zhǔn)識(shí)別不同的抓握物體，并借助傳感器陣列成功實(shí)現(xiàn)了模擬體表上壓力與溫度分布的空間映射。相關(guān)論文以“Fully-Printed Bimodal E-Textiles with Synchronized Temperature-Pressure Sensing for Next-Generation Adaptive Wearables”為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials 上。

該DMTP-ETex采用了三層織物堆疊結(jié)構(gòu)。頂層織物的一側(cè)印制有叉指電極和溫敏層構(gòu)成溫度傳感器，另一側(cè)則印制壓力電極層；該壓力電極層與中間含有壓力敏感層的織物以及底部電極織物共同構(gòu)成壓力傳感器。整個(gè)器件通過全印刷工藝制備，實(shí)現(xiàn)了垂直堆疊的層狀結(jié)構(gòu)，從物理層面確保了信號(hào)的獨(dú)立解耦。研究團(tuán)隊(duì)首先對(duì)材料進(jìn)行了系統(tǒng)表征。傅里葉變換紅外光譜顯示離子液體成功摻入熱塑性聚氨酯基體中；差示掃描量熱曲線表明，復(fù)合油墨中的三種丙烯酸酯共聚物在共混物中基本保留了各自獨(dú)立的結(jié)晶域，呈現(xiàn)出多個(gè)吸熱峰。原位X射線衍射結(jié)果證實(shí)，隨著溫度升高，結(jié)晶衍射峰逐漸衰減，體現(xiàn)了連續(xù)的多階段熔融過程。流變學(xué)測(cè)試則顯示溫敏油墨具有剪切變稀特性，適合絲網(wǎng)印刷工藝。表面粗糙度分析表明，銀電極油墨能有效填充織物的孔隙和表面起伏，形成連續(xù)均勻的電極層。機(jī)械耐久性測(cè)試中，印刷銀電極在100次彎曲循環(huán)后電阻變化率僅為3.24%，且膠帶剝離測(cè)試未觀察到材料脫落或界面失效，證實(shí)了良好的附著力。更重要的是，DMTP-ETex在印刷后仍保持419 L m?2 s?1的透氣性，且貼附于人體皮膚24小時(shí)后無刺激或不適感，厚度僅為1.07毫米，充分證明了其作為可穿戴設(shè)備的舒適性與安全性。

圖1 DMTP-ETex的結(jié)構(gòu)、制備工藝及應(yīng)用場(chǎng)景示意圖。

圖2 (a) 純TPU和TPU/IL共混物的FTIR光譜。 (b) AC-1、AC-2、AC-3及復(fù)合油墨的DSC曲線。 (c) 在10°C至50°C范圍內(nèi)測(cè)量的復(fù)合油墨的原位XRD圖譜。 (d) 與絲網(wǎng)印刷工藝相關(guān)的溫度敏感油墨的觸變行為。 (e) 溫度敏感油墨的粘度隨剪切速率的變化。 (f) 印刷有AgFDs電極的底部紡織品的截面SEM圖像。 (g) 印刷溫度傳感器的表面粗糙度圖像及其 (h) 相應(yīng)的3D形貌圖。 (i) Textile-1（95%滌綸+5%氨綸）的2D和3D形貌圖。 (j) 頂層紡織品的截面SEM圖像及對(duì)應(yīng)的C和Ag元素EDS能譜圖。

在溫度傳感性能方面，該傳感器利用三種不同熔點(diǎn)的丙烯酸酯共聚物在升溫過程中依次熔融，引起體積膨脹，從而分階段調(diào)控碳黑導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)寬溫域內(nèi)的電阻變化。通過系統(tǒng)優(yōu)化三種共聚物的質(zhì)量比（2:1:1）和碳黑固含量（6 wt.%），傳感器在0℃–15℃、15℃–30℃和30℃–50℃三個(gè)溫區(qū)內(nèi)的電阻溫度系數(shù)分別達(dá)到1.3%/℃、12.6%/℃和125.9%/℃，其中30℃–50℃溫區(qū)內(nèi)的線性度高達(dá)0.998。該傳感器還展現(xiàn)出0.1℃的優(yōu)異分辨率，能夠清晰響應(yīng)36℃至37℃范圍內(nèi)0.1℃的梯度升溫。在25℃至35℃的加熱過程中響應(yīng)時(shí)間為11.8秒，冷卻至15℃的恢復(fù)時(shí)間為12秒。經(jīng)過500次加熱-冷卻循環(huán)后，其電阻變化僅衰減9.56%，展現(xiàn)出卓越的長周期穩(wěn)定性。即使在100次彎曲或扭曲循環(huán)后，電阻溫度系數(shù)的最大漂移也分別僅為7.47%和4.05%，表明其機(jī)械柔韌性對(duì)溫度傳感性能影響甚微。此外，該溫度傳感單元在0–2牛頓壓力作用下的最大電阻變化率僅為0.037，證明其對(duì)壓力不敏感，有利于信號(hào)解耦。

圖3 (a) 溫度傳感機(jī)制示意圖。 (b) 溫度傳感單元在0°C–50°C范圍內(nèi)相對(duì)電阻變化（ΔR/R?）隨溫度變化的函數(shù)。 (c) DMTP-ETex在36°C–37°C范圍內(nèi)對(duì)0.1°C逐步升溫的電阻響應(yīng)。 (d) DMTP-ETex在從25°C加熱至35°C過程中的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間，以及 (e) 從25°C冷卻至15°C過程中的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。 (f) DMTP-ETex在不同恒定溫度下保持30分鐘的電阻穩(wěn)定性。 (g) DMTP-ETex在500次加熱-冷卻循環(huán)中的電阻響應(yīng)。

壓力傳感機(jī)制則基于離子雙電層電容效應(yīng)。當(dāng)壓力增加時(shí)，織物內(nèi)的空氣被擠出，電極與離子層之間的有效接觸面積增大，促使離子液體中的陰、陽離子在對(duì)應(yīng)電極表面積累，從而增加雙電層電容。研究團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了離子液體與熱塑性聚氨酯的比例（3:1）以及壓力敏感層的印刷層數(shù)（5層），使傳感器在0–10 kPa、10–90 kPa和90–200 kPa三個(gè)壓力區(qū)間內(nèi)分別實(shí)現(xiàn)了62.3 kPa?1、15.1 kPa?1和7.0 kPa?1的高靈敏度。該壓力傳感器對(duì)0.1至5牛頓的不同負(fù)載呈現(xiàn)出穩(wěn)定且可重復(fù)的電容響應(yīng)，并在加載和卸載2克砝碼時(shí)展現(xiàn)出30毫秒和60毫秒的超快響應(yīng)與恢復(fù)時(shí)間。其分辨率極高，能夠在20克負(fù)載基礎(chǔ)上清晰分辨1克重量的增加。經(jīng)過5000次0.1牛頓的加載-卸載循環(huán)后，電容響應(yīng)僅衰減4.78%，證實(shí)了其優(yōu)異的耐用性。值得注意的是，當(dāng)環(huán)境溫度從30℃升至50℃時(shí)，該壓力傳感單元的最大電容變化率僅為0.38%，低于0.01牛頓壓力下的響應(yīng)，表明其對(duì)溫度變化不敏感，從而有效實(shí)現(xiàn)了與溫度信號(hào)的解耦。

圖4 (a) 壓力傳感機(jī)制示意圖及相應(yīng)等效電路。 (b) 對(duì)于印刷不同層數(shù)壓力敏感墨水的紡織品，其相對(duì)電容變化（ΔC/C?）隨壓力的變化函數(shù)。 (c) DMTP-ETex對(duì)三次連續(xù)施加不同壓力的電容響應(yīng)。 (d) DMTP-ETex在加載和卸載2克重量時(shí)的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。 (e) DMTP-ETex在加載20克重量后再加載1克重量時(shí)的電容響應(yīng)。 (f) DMTP-ETex在0.1 N壓力下經(jīng)歷5000次加載-卸載循環(huán)的ΔC/C?變化。

為了驗(yàn)證雙模信號(hào)解耦的實(shí)際效果，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。當(dāng)筆尖靠近但不接觸DMTP-ETex時(shí)，電容和電阻均無變化；而當(dāng)筆尖反復(fù)按壓時(shí)，電容響應(yīng)壓力而增加，電阻因筆尖溫度略低于室溫而減小。類似地，當(dāng)手指靠近時(shí)，僅電阻因體溫升高而增加，電容無變化；當(dāng)手指按壓時(shí)，電容和電阻同時(shí)增加，分別響應(yīng)壓力和溫度。在恒定壓力下升高溫度時(shí)，電容信號(hào)穩(wěn)定而電阻隨溫度升高并穩(wěn)定；在恒定溫度下增加壓力時(shí)，電容隨壓力穩(wěn)步上升而電阻幾乎不變。這些結(jié)果一致證明，DMTP-ETex能夠在不產(chǎn)生串?dāng)_的情況下，同時(shí)捕獲同一位置的溫度和壓力信號(hào)。

圖5 (a) 筆尖靠近和觸摸的示意圖。DMTP-ETex對(duì)筆尖 (b) 靠近和 (c) 觸摸的電容和電阻響應(yīng)。 (d) 手指靠近和觸摸的示意圖。DMTP-ETex對(duì)手指 (e) 靠近和 (f) 觸摸的電容和電阻響應(yīng)。 (g) 對(duì)DMTP-ETex施加機(jī)械載荷和熱刺激的示意圖。(h) 恒定壓力和升溫下，以及 (i) 恒定溫度和升壓下的電容和電阻響應(yīng)。此外，其傳感層的實(shí)際尺寸為10毫米×10毫米。

基于上述可靠性能，研究團(tuán)隊(duì)將DMTP-ETex集成到智能手套中，模擬手指抓握不同溫度和水量水杯的觸覺感知。當(dāng)抓握空杯、常溫水杯、熱水杯和冷水杯時(shí)，傳感器產(chǎn)生了顯著差異化的電阻和電容信號(hào)。研究人員收集了四種場(chǎng)景共400個(gè)樣本，采用一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類學(xué)習(xí)。該模型包含三個(gè)卷積層、一個(gè)池化層和兩個(gè)全連接層。經(jīng)過約150個(gè)周期的訓(xùn)練，模型訓(xùn)練損失趨近于零，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到100%。主成分分析降維可視化顯示，四種抓握?qǐng)鼍暗臄?shù)據(jù)點(diǎn)形成了清晰可區(qū)分的聚類，混淆矩陣進(jìn)一步確認(rèn)了100%的分類準(zhǔn)確率，充分證明了DMTP-ETex在智能交互領(lǐng)域的有效性和可靠性。

圖6 (a) 集成DMTP-ETex的手套在抓取空杯、盛有常溫水、熱水和冷水的水杯時(shí)產(chǎn)生的電容和電阻信號(hào)。 (b) 用于分類抓取模式的1D CNN模型的架構(gòu)示意圖。 (c) 學(xué)習(xí)過程中用于水杯識(shí)別的CNN模型的訓(xùn)練準(zhǔn)確率和損失。 (d) 四種抓取模式數(shù)據(jù)集的PCA可視化圖。 (e) 顯示四種抓取模式分類預(yù)測(cè)結(jié)果的混淆矩陣。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索了該電子織物在智能醫(yī)療服裝領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。將DMTP-ETex集成到肩部服裝中，用于監(jiān)測(cè)背包使用時(shí)的肩部壓力不對(duì)稱性。通過定義不對(duì)稱指數(shù)（|P左-P右|/(P左+P右)），測(cè)試了四種背包方式：空載單肩、負(fù)重單肩、對(duì)稱雙肩和不對(duì)稱雙肩。結(jié)果顯示，單肩背包時(shí)不對(duì)稱指數(shù)達(dá)到1，而雙肩對(duì)稱背負(fù)時(shí)指數(shù)為0，為健康干預(yù)提供了量化依據(jù)。此外，研究團(tuán)隊(duì)還制作了一個(gè)包含四個(gè)傳感單元的線性陣列，并將其包裹在可變形氣球表面，模擬肢體壓力和溫度的動(dòng)態(tài)變化。在充氣階段，所有四個(gè)傳感器的電容信號(hào)同步顯著增加，反映壓力均勻上升；同時(shí)電阻信號(hào)也一致上升，對(duì)應(yīng)呼出暖空氣帶來的環(huán)境溫度升高。放氣階段則觀察到電容迅速下降和電阻逐漸回落。更重要的是，通過分析四個(gè)傳感單元的響應(yīng)差異，研究團(tuán)隊(duì)成功生成了壓力和溫度的空間分布圖，顯示出清晰的梯度變化，證明了該傳感器陣列在健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)多參數(shù)空間監(jiān)測(cè)的強(qiáng)大潛力。

圖7 (a) DMTP-ETex用于多功能智能服裝的示意圖。 (b) 在四種背包條件下（無負(fù)重單肩背US、負(fù)重單肩背LS、對(duì)稱雙肩背SD、非對(duì)稱雙肩背AD）的肩部壓力不對(duì)稱指數(shù)和電容響應(yīng)。 (c) 四個(gè)傳感器單元在充氣和放氣過程中的電阻響應(yīng)和 (d) 電容響應(yīng)。 (e) 溫度和壓力響應(yīng)的空間分布圖。

綜上所述，這項(xiàng)研究通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)成功制備了緊密集成的溫壓雙模傳感電子織物。該器件在溫度傳感方面實(shí)現(xiàn)了寬溫域、超高電阻溫度系數(shù)、0.1℃分辨率及500次循環(huán)的優(yōu)異耐久性；在壓力傳感方面實(shí)現(xiàn)了三段式高靈敏度、快速響應(yīng)恢復(fù)及5000次循環(huán)的卓越穩(wěn)定性。通過信號(hào)類型的本質(zhì)區(qū)分，該織物能在同一位置和時(shí)間無串?dāng)_地同步捕獲壓力和溫度信號(hào)。結(jié)合智能手套中基于機(jī)器學(xué)習(xí)的抓握類型精準(zhǔn)識(shí)別（100%準(zhǔn)確率）以及智能服裝中壓力與溫度分布的同步映射監(jiān)測(cè)，這項(xiàng)研究為先進(jìn)人機(jī)交互和智能醫(yī)療健康領(lǐng)域提供了全新的設(shè)計(jì)理念與實(shí)現(xiàn)路徑。