近日，我院青年英才岗王鹏博士在柔性传感领域取得系列新进展，相关工作以“Biomimetic breathable nanofiber electronic skins with temperature-controlled self-adhesive and directional moisture-wicking properties for bifunctional pressure and non-contact sensing”为题，发表于柔性电子领域国际顶级期刊《Nano Energy》（中科院一区，影响因子16.8）；“Self-powered noncontact triboelectric nanogenerators with microstructured square-loop surface and dielectric electron-blocking layer for far-distance motion perception and trajectory tracking”为题，发表于柔性电子领域国际顶级期刊《Nano Energy》（中科院一区，影响因子16.8）；“Natural Human Skin-Inspired Wearable and Breathable Nanofiber-Based Sensors with Excellent Thermal Management Functionality”为题，发表于柔性电子领域国际顶级期刊《Adanced Fiber Materials》（中科院一区Top期刊，影响因子17.2）；“Highly breathable and sensitive iontronic wearable sensor based on porous ionic electrolyte and microstructure for human movement sensing”为题，发表于柔性电子领域国际顶级期刊《Chemical Engineering Journal》（中科院一区Top期刊，影响因子13.3）。王鹏博士为论文第一作者/通讯作者，济南大学机械工程学院为通讯单位。
1. Biomimetic breathable nanofiber electronic skins with temperature-controlled self-adhesive and directional moisture-wicking properties for bifunctional pressure and non-contact sensing（Nano Energy，中科院一区，影响因子16.8）
电子皮肤在可穿戴传感领域的应用前景广阔，近年来发展迅速。具有透气性、自粘附性、排汗性和多种传感功能，但在单一设备上无法实现。为此，该工作受天然人体皮肤的启发，开发了一种基于全纳米纤维平台的透气自粘电子皮肤，具有独特的定向排汗性能和双功能压力和非接触传感能力。该成果以具有良好透气性的静电纺丝纳米纤维为基底，研制了一种具有独特的定向吸湿-排汗性能和双功能压力和非接触式传感能力的透气自粘传感器。该传感器不仅具有23 kPa-1的高压传感灵敏度和2米的超宽非接触检测范围。该传感器还具有53.9 mm s-1的优异透气性和快速排汗能力。该传感器在皮肤温度下可以紧密附着在人体皮肤上，在高温下使用温控可逆相变凝胶可以很容易地剥离。
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2. Self-powered noncontact triboelectric nanogenerators with microstructured square-loop surface and dielectric electron-blocking layer for far-distance motion perception and trajectory tracking（Nano Energy，中科院一区，影响因子16.8）
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对室内人类活动的持续监测对老年人或患者的医疗保健至关重要。最近被开发的自供电非接触摩擦电纳米发电机（TENG）传感器是一种很有前途的替代非接触传感技术，其不考虑隐私问题，但检测远距离物体运动的能力仍然较差。为此，该工作综合利用纳米结构摩擦电材料、高介电常数介电层和粗糙电极表面的优势，在具有大介电常数的钛酸铜钙/Ecoflex纳米复合材料层上构建了具有微结构正方形循环表面的摩擦电钴纳米多孔碳/Ecoflex复合材料层，开发了一种超远距离检测的单电极模式非接触TENG传感器。
3. Natural Human Skin-Inspired Wearable and Breathable Nanofiber-Based Sensors with Excellent Thermal Management Functionality（Adanced Fiber Materials，中科院一区，影响因子17.2）
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柔性传感设备由于其高灵敏度、宽检测范围、快速响应时间和完美贴合人体皮肤的能力而具有实用性，因此受到了越来越多的关注。然而，大多数报道的柔性传感器都是在不透水的聚合物基底上制备的，这会阻碍被覆盖的皮肤与外界之间的气体交换，导致穿着时的不适和可靠性较弱。为了克服上述问题，棉织物和纱线等天然纺织品因其透气性、重量轻和舒适性高而被广泛用作制造柔性传感器的基底。然而，大多数基于纺织品的传感器由于其亲水性、高厚度和低弹性模量的固有缺陷，其实际应用仍然受到限制。同时，高厚度和低弹性模量阻止了可佩戴传感器适应柔软皮肤的变形，从而降低了传感精度和佩戴舒适性。通过简单的静电纺丝工艺制造的纳米纤维制成具有良好耐磨性和舒适性，超薄厚度、足够的透气性、非凡的疏水性、高孔隙率和良好的表面功能成为可穿戴传感器的有前途的替代基底。然而，一个新的挑战已经出现，因为它们的超薄和多孔性质不可避免地导致较差的保温能力，这严重削弱了在寒冷条件下穿着的舒适性。
受人类天然皮肤的启发，该工作开发了一种可穿戴、透气的基于纳米纤维的传感器，该传感器不仅具有基于被动保温和主动焦耳加热效应的卓越热管理功能，还具有良好传感性能。该传感器由碳纳米管（CNT）/热塑性聚氨酯（TPU）纳米纤维电极层、微孔离子气凝胶电解质中间层和微结构Ag/TPU纳米纤维电极层组成。得益于传感器的微结构与离子超级电容压力传感机制，该传感器表现出优异的传感性能。即灵敏度为24.62 kPa-1、响应时间为50 ms和检测范围为120 kPa。此外，由于TPU的整体多孔结构和疏水性，该传感器表现出优异的透气性（62 mm/s）和防水性能，（接触角为151.2°）。此外，具有高太阳能吸收率（70%）的CNT（上层）、用于隔热的具有低导热率（0.063W·m-1·k-1）的气凝胶（中间层）和面向皮肤的具有高红外反射率（85%）的Ag（底层）使传感器具有良好的被动保温性能。因此，该传感器的表面温度比商用棉布的表面温度高16.8 ℃。此外，通过对底部电阻Ag电极施加电流，即使在极冷的环境中，传感器的表面温度也可以在2分钟内快速升高58.8 ℃，这表明皮肤可以根据需要进行加热。所提出基于纳米纤维的可穿戴传感器由于其透气性和疏水性而佩戴舒适，并且在寒冷环境中显示出卓越的热管理功能，有望用于健康监测和热疗中。
4. Highly breathable and sensitive iontronic wearable sensor based on porous ionic electrolyte and microstructure for human movement sensing（Chemical Engineering Journal，中科院一区，影响因子13.3）
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柔性可穿戴设备因其在可穿戴传感器、智能显示器、健康诊断和治疗、电子皮肤、人机交互和能量采集方面的潜在应用而引发了研究兴趣。其中，可穿戴电容式压力传感器以其简单的器件结构、可靠且能耗相对较低而备受关注。到目前为止，在提高电容传感器的灵敏度方面已经取得了重大进展，但实现具有超高灵敏度和大工作范围的人类健康监测，以满足从微小变形（如脉搏跳动）到重大变形（如人体关节运动）的全面医疗和保健生物监测仍然具有挑战性。同时，大多数报道的传感设备都是在致密、气密的弹性基底上制造的，该基底缺乏透气性，这阻碍了皮肤与外界之间的热量和气体交换，使其不适合长期佩戴（导致皮肤积热，甚至红肿和炎症）。为了提高透气性和穿着舒适性，已经研究并报道了基于织物（如棉布、无纺布等）的传感器。然而，织物的厚度和体积较大，阻碍了传感器与人体皮肤之间的粘附和后续工作。织物具有天然的亲水性，长时间穿着会导致汗液进入传感器，削弱传感器的传感性能。在此，该工作设计并制造了一种基于多孔离子电解质和微观结构的高灵敏度、宽检测范围的透气疏水性离子电子压力传感器。该传感器是在具有微凸起的多孔离子电解质被两个微图案的Ag/G/TPU纳米纤维电极夹在中间之后实现的。由于微观结构的制备和超级电容工作原理的引入，制备的电子传感器表现出超高的灵敏度（21.3kPa-1）、大的工作范围（0.30-106 kPa）、极低的检测限（约40 mg）以及显著的可靠性和耐用性。由于纳米纤维电极中丰富的微孔结构和多孔电解质，所制备的传感器具有较高的透气性（25.02 mm/s）和透湿性（102.35 g/m2h），提高了长期佩戴的舒适性。同时，TPU纳米纤维的天然疏水性（接触角约为155.1°）赋予了传感器优异的防汗性，可以有效防止汗液侵蚀传感器。此外，该传感器已成功应用于人体膝关节运动监测和二维压力检测。在构建神经网络算法的帮助下，它可以识别人类的行走、跑步、跳跃等动作，成功率为100%。这项工作有望为下一代人造电子皮肤中可穿戴、透气、疏水、高灵敏度和宽范围压力传感器的制造铺平道路。
5.作者介绍
王鹏：济南大学机械工程学院讲师，校聘青年英才岗，研究方向为柔性传感器，重点突破柔性传感在实用化过程中遇到的传感材质柔弹性差、传感器件灵敏度低和可穿戴性差等瓶颈问题，积极推进其在脉搏、呼吸等人体生理体征监测、步姿与手势等运动状态识别等方向上的应用，并取得了一定的研究成果与奖励，以第一作者（共一、通讯）在本领域国内外重要期刊Nano Energy、Advanced Fiber Materials、Chemical Engineering Journal、Advanced Electronic Materials、Advanced Materials Interfaces 、Nanoscale等发表SCI论文23篇，其中影响因子大于10的中科院一区Top论文10篇；申请发明专利12项，授权4项；受邀担任国际SCI检索期刊Nano Energy、ACS Applied Materials & Interfaces、Advanced Materials Interfaces、Measurement、Journal of Physics D: Applied Physics等的审稿人；获得天津市创新奖学金1次（2022年），天津市王克昌文化科技奖学金1次，博士研究生国家奖学金2次（2021年与2022年）、河北省优秀研究生毕业生1次（2023年），河北工业大学学术之星1次（2022年）；多次参加学术会议并做分会场报告。个人主页：https://faculty.ujn.edu.cn/wangpeng1/zh_CN/index/149227/list.
