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  纖維傳感器面臨功能單一和易受應變干擾等挑戰。本文基于“島-橋”結構設計了一種溫度、濕度、應變多功能傳感纖維（THS），通過調控凝膠含水量構建一體化結構。該纖維集成于軟體抓手，實現物體識別及水下作業；編織入衣物可構建健康預警系統，展現了在智能穿戴與健康監測領域的應用潛力。

  近期，濟南大學王鵬/河北工大王海行/濟南大學闞皞/山大李陽聯合在Advanced Functional Materials上發表了題為“Stress-Tunable Multi-Functional Sensing Gel Fiber via Water-Controlled Design for High Stability” 的研究成果。本研究提出一種多功能溫度、濕度與應變纖維傳感器（THS）。通過調控凝膠含水量構建“島-橋”分區結構，實現局部應變不敏感的溫度-濕度傳感與應變傳感功能�；谠搨鞲衅鏖_發出具備物體識別與環境監測能力的智能軟體抓手，并構建了用于監測呼吸頻率、體表溫度與濕度的健康風險預警系統。

  THS纖維集成了溫敏纖維、濕敏纖維及應變纖維。溫濕度傳感器位于高模量“島”區，拉伸時幾乎不變形；應變傳感器位于低模量“橋”區，承擔全部形變�；诖恕皪u-橋”設計，THS纖維在保持高柔性的同時，賦予溫濕度傳感單元的局部應變隔離能力。THS纖維與氣動軟指結合構建智能抓取系統；織入衣物構建健康風險預警系統。（圖1）。

圖1 THS纖維傳感器的設計靈感與結構示意圖。(a) 受植物莖稈“節-節間”結構啟發，在纖維傳感器上構建“島-橋”結構的示意圖。(b) 凝膠基體在紫外照射下的聚合過程。(c) 干燥纖維、濕潤纖維及干濕復合纖維的應力-應變與模量對比。(d) THS纖維示意圖，展示其“島-橋”結構特征、多功能性與柔韌性。(e)智能軟體抓手與智能服裝的應用概念圖。

  基于干濕凝膠分區制備“島-橋”結構。干纖維失水變硬形成高模量“島”區，濕纖維保持柔韌形成“橋”區，從而構建一體式應變梯度結構。相較于全濕纖維的均勻形變，“島-橋”纖維在拉伸時呈現差異化變形。COMSOL模擬進一步證實，在100%拉伸下普通纖維均勻變形，而“島-橋”纖維的“島”區應變分布顯著低于周邊�；凇皪u”區的局部應變不敏感特性，將其用于溫濕度傳感單元構建，有效避免了整體纖維變形對傳感性能的干擾。（圖2）。

圖2 THS纖維“島-橋”結構的制備策略及其應變不敏感特性。(a) 具有“島-橋”結構纖維的制備示意圖。(b) 普通纖維與“島-橋”纖維的內部網絡結構及100%應變下的拉伸狀態。 (c)普通纖維與“島-橋”纖維COMSOL模擬對比。 (d) 普通纖維與“島-橋”纖維的溫度與濕度傳感器抗應變干擾能力對比。

  基于“橋”區構建的應變傳感纖維。通過在水凝膠纖維中引入Gly和EG，有效解決了傳統水凝膠易失水導致的性能退化問題。應變傳感基于離子遷移通道隨拉伸變窄、路徑延長的機制，電阻變化與應變呈三階段線性關系，對應應變范圍0-100%、100-220%和220-360%的應變因子分別為2.35、7.92和4.92。傳感器響應與恢復時間均約350毫秒，無顯著遲滯現象，最小檢測限為1%應變，并在循環拉伸中表現出優異的重復性與穩定性。（圖3）。

圖3 THS纖維應變傳感單元的保水機理與傳感特性。(a) 水分保持機制示意圖。(b) 濕潤纖維隨甘油與乙二醇含量變化的FTIR光譜分析。(c) 水-甘油-乙二醇配比為6:3:3時濕潤纖維的拉曼光譜成像。(d) 濕潤纖維在室溫下十天的重量損失曲線。(e) 添加甘油與乙二醇后濕潤纖維的應力-應變曲線。(f) 應變傳感機理圖。(g) 應變傳感纖維的靈敏度與(h) 響應/恢復時間。(i) 應變纖維傳感器在連續拉伸-釋放過程中的響應曲線。(j) 應變纖維的檢測極限。 (k) 與已報道研究的性能對比。

  基于“島”區構建的溫度和濕度傳感纖維。溫度傳感纖維以PEDOT:PSS為基質，通過摻雜高導熱MXene納米材料獲得高溫度靈敏度（3.92 ℃^-1）。該傳感器對冷熱水響應迅速，可分辨1.5 ℃的體表溫差。濕度傳感纖維基于MXene表面官能團與水分子的氫鍵作用及LiCl電離協同機制。該傳感器在循環濕度測試中表現出優異穩定性，并可集成于口罩實現呼吸頻率實時監測（20次/分鐘）。（圖4）。

圖4 THS纖維的溫度與濕度傳感性能。(a) 溫敏纖維的傳感機理圖。(b) 不同MXene/PEDOT:PSS配比下的溫度靈敏度。(c) 對冷熱水的瞬時響應特性。(d) 不同溫度下的相對電阻變化。(e) 運動前后體表溫度變化的監測。(f) 濕敏纖維的傳感機理圖。(g) 顯示兩個線性區段的濕度靈敏度。(h) 15次濕度循環（25–85% RH）下的循環穩定性。(i) 不同濕度下的相對電阻變化。(j) 基于纖維集成口罩的呼吸頻率監測。

  通過將THS纖維與軟體抓手結合開發了智能軟體抓取系統。該纖維集成了溫度、濕度與應變傳感單元，通過嵌入式設計直接與氣動軟指結合。應變傳感器實時監測手指彎曲角度，溫濕度傳感器實現抓取過程中的多模態感知。系統通過一維卷積神經網絡（1D-CNN）對15個應變傳感器信號進行訓練，在抓取快遞盒、蘋果、薄紙板及螺栓等不同物體時，能根據各傳感器電阻變化特征實現97.25%的識別準確率。此外，該智能軟體抓手具備水下作業能力，實現了水下抓取過程中水溫監測、水面接近檢測與抓取狀態跟蹤的同步進行。該系統展現了在復雜環境下集成物體識別與環境感知的綜合能力。（圖5）。

圖5 智能軟體抓手在物體識別與環境監測中的應用。(a) 智能軟體抓手及單根軟體手指的結構示意圖。(b) 軟體手指頂部、左下側與右下側的纖維溝槽結構。(c) 不同氣壓下軟體手指彎曲角度示意圖。(d) 氣壓與彎曲角度的關系曲線。(e) 相對電阻變化與彎曲角度的對應關系。(f) 抓取快遞盒、蘋果、紙板與螺栓時20個傳感器的相對電阻變化。(g) 一維卷積神經網絡結構框架圖。(h) 神經網絡訓練過程中損失函數、訓練精度與測試精度的實時變化曲線。(i) 物體識別分類結果的混淆矩陣。(j) 軟體抓手在不同水溫中抓取螺栓時20個傳感器的相對電阻變化。

  通過將THS纖維與服裝結合，開發了一套人體運動狀態識別與健康風險監測系統。將THS纖維編織于服裝腹部位置，可基于呼吸時腹部的周期性起伏監測呼吸頻率；同時實時檢測運動引起的體表溫度與濕度變化。實驗數據顯示，在睡眠、靜坐、行走、跑步四種狀態下，監測到的呼吸頻率、體溫及體表濕度變化均符合人體正常生理范圍，證實了測量的準確性。系統通過融合溫度、濕度與應變三種信號，將運動狀態識別準確率提升至97.75%，展現出在智能穿戴等領域的應用潛力。（圖6）。

圖6 智能服裝的應用。(a) THS纖維與服裝集成的監測系統示意圖。(b) 人體不同運動狀態下THS纖維信號變化：i)應變信號，ii)溫度信號，iii)濕度信號。(c–e) 人體不同運動狀態下呼吸頻率、體溫及體表濕度的正常范圍。(f) 運動狀態識別結果及潛在健康風險預警。

  總結：本研究提出了一種能同步感知溫度、濕度與應變的多功能纖維傳感器（THS）。結構設計上受植物“節-節間結構”與傳統“島-橋結構”啟發，通過干濕凝膠構建同質基體的“島”區與“橋”區，避免了異質材料的界面兼容性問題。相比無“島-橋”結構的纖維傳感器，該設計在形變中展現出多功能集成、應變隔離增強及優異耐久性與穩定性等優勢。集成THS纖維的智能軟體抓手可在抓取過程中識別物體類型，并在水下作業時同步實時監測環境溫濕度。通過將THS纖維集成于服裝，系統能有效識別人體運動狀態，并在信號異常時通過健康風險預警系統及時發出警報，充分展現了該THS纖維在環境感知與人體健康監測領域的應用潛力。

作者介紹

王鵬：濟南大學機械工程學院教師，碩士生導師，校聘青年英才崗，研究方向為柔性傳感器。主持中國博士后基金1項，山東省青年基金1項，技術開發項目2項。累計以第一作者/共同一作/通訊作者發表論文43篇 (包括24篇中科院一區Top期刊，4篇ESI前1%高被引文章），包括Advanced Functional Materials、Nano Micro Letters、InfoMat、Advanced Fiber Materials等高水平期刊；累計撰寫、申請發明專利19項，其中9項已授權；擔任Exploration期刊青年編委；中國微米納米學會高級會員；擔任國際SCI檢索期刊Advanced Functional Materials、Nano Micro Letters、Nano Energy、Chemical Engineering Journal等的審稿人；獲得天津市創新獎學金1次（2022年），天津市王克昌文化科技獎學金1次，博士研究生國家獎學金2次（2021年與2022年）；河北省優秀研究生畢業生1次（2023年）；多次參加學術會議并做分會場報告。個人主頁：

https://faculty.ujn.edu.cn/wangpeng1/zh_CN/index/149227/list.

王海行，工學博士，講師，碩士生導師。河北工業大學機械工程學院“健康護理機器人”團隊成員，隸屬于智能康復裝置與檢測技術教育部工程研究中心。主持河北省自然科學基金青年項目1項，以第一/通訊作者發表SCI/EI學術論文10余篇。

闞皞：濟南大學信息科學與工程學院，碩士生導師。主要研究領域：低維半導體敏感材料和功能器件，“傳感存算一體化”芯片系統。已累計發表SCI檢索論文40余篇，其中以第一作者/通訊作者發表SCI論文20余篇。

李陽：山東大學集成電路學院教授，博士生導師，IEEE高級會員，科技部中韓青年科學家、山東省泰山學者青年專家、山東省高校集成電路創新團隊帶頭人、山東省優青、山東省青年科技人才托舉工程入選者、齊魯青年學者，主持國家自然科學基金項目、科技部項目、山東省優秀青年基金項目、山東省重點研發計劃項目等省部級以上項目10余項。主要研究領域：新一代半導體材料與器件；“傳感存算一體化”芯片系統。已累計發表SCI檢索論文100余篇，其中以第一作者/通訊作者在Chem. Soc. Rev.、Matter、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、IEEE Trans. Electron, Dev. 等領域內頂尖期刊上發表中科院一區文章45篇，包含封面文章10篇，授權國家發明專利15項，韓國發明專利11項。

  原文信息

  Advanced Functional Materials, 2026; 0:e30007.

  https://doi.org/10.1002/adfm.202530007