电子皮肤新突破！一体化多模态传感！

一、研究背景

类皮肤多模态电子器件（SMED）是推进仿人机器人、可穿戴技术发展的关键，能实现与复杂环境的无缝交互和感知，但现有技术面临核心挑战：薄膜基传感器透气性差、生物相容性不足，长期佩戴易引发皮肤不适；难以在保持高透气性、舒适性的同时，集成应变、压力、温度、湿度等全面传感功能，且湿环境下皮肤-电极界面稳定性不足，限制了其在健康监测、人机交互等场景的实际应用。

安徽工程大学王宗乾、郑贤宏团队联合复旦大学曹文涛研究员，研发一种超薄、透气、能“湿身作战”的智能电子皮肤（SMED），一举攻克了上述难题，厚度仅1-2微米（≈头发丝的1/50），却集成了应变、压力、温度、湿度四大感知功能，甚至能在汗蒸等极端湿滑环境下牢牢贴合人体，实现医疗级生理信号监测。

二、研究亮点

1. 首次通过无缝丝网印刷技术，在超薄TPU纳米纤维垫上集成MXene/PEDOT:PSS传感阵列，同时实现应变、压力、温度、湿度四大维度传感，且各传感单元无信号串扰。

2. 1-2μm厚的多孔结构赋予器件超高透气性（345.3±2.5 mm·s?1）和透湿性，122°疏水角兼具防水性，湿黏附强度达0.6 kPa，长期佩戴无皮肤刺激，实现“电子纹身”般的 conformal 贴合。

3. 应变传感器最大应变范围204.7%， gauge factor（GF）最高达8.7×10?；压力传感器在0-11.5 kPa区间灵敏度270.0 kPa?1，响应/恢复时间仅78/90 ms；温度传感器30-44℃区间灵敏度-2.1%·℃?1；湿度传感器在100%RH下电阻变化率达-99.6%，均优于现有主流柔性传感器。

4. 湿环境下可稳定监测心电图（ECG），手势识别准确率100%，能精准捕捉脉搏波形、肢体运动及温湿度变化，适配健康监测、康复训练、人机交互等多元场景。

三、研究内容

（一）器件设计与制备

1. 核心结构：以超薄TPU纳米纤维垫为基底，采用MXene/PEDOT:PSS复合墨水通过丝网印刷构建传感阵列，其中MXene与PEDOT:PSS质量比7:3（SMED?:?）时性能最优，电极线宽0.9 mm，活性层厚度1.5 μm。

2. 制备工艺：通过电纺技术制备TPU纳米纤维垫（1-2 h电纺时长获超薄结构），经聚多巴胺（PDA）改性提升亲水性，再通过丝网印刷/交替喷涂工艺制备各传感单元，整体工艺具备规模化潜力。

3. 关键特性：兼具高透明度、拉伸性（50%拉伸无损伤）、环境稳定性（80%RH环境7天性能无衰减），湿黏附层确保出汗、盐水浸泡等场景下皮肤贴合度。

（二）多模态传感性能

1. 应变传感：分9个应变区间呈现不同GF，0-50%应变范围内最大GF=50.8，5000次循环测试稳定性优异，响应/恢复时间260/410 ms，基于1D卷积残差网络（RSNet）实现8种手势100%识别。

2. 压力传感：0-11.5 kPa（S?=270.0 kPa?1）和11.5-38.3 kPa（S?=78.8 kPa?1）双线性区间，灵敏度远超传统纺织基/薄膜基压力传感器，可监测手指按压、跑步等动作。

3. 温湿度传感：温度传感为负温度系数特性，30-80℃电阻变化率-53.5%，无明显滞后；湿度传感基于水分子促进电子跃迁机制，43%-100%RH响应线性度R2>0.99，响应/恢复时间40.3/27.7 s。

4. 生物电监测：皮肤-电极阻抗（SEI）在10 Hz时仅141.8 Ω，远低于商用Ag/AgCl电极，干燥/湿润皮肤均能稳定捕捉ECG的PQRST波形，运动出汗场景下信号无波动。

（三）应用验证

1. 健康监测：成功监测心电图、脉搏（含P/T/D波）、心率（60次/分钟），为心血管健康评估提供数据支持。

2. 运动感知：适配手指弯曲、手腕屈伸、点头、跑步等动作监测，覆盖微动作到大幅度运动的全场景。

3. 环境感知：实时响应环境温湿度变化，对呼气等快速湿度波动响应灵敏。

四、总结与展望

该研究通过“超薄纳米纤维基底+MXene/PEDOT:PSS复合传感+丝网印刷集成”策略，突破了传统可穿戴器件“功能与舒适性难以兼顾”的瓶颈，成功开发出兼具高透气性、生物相容性、多模态高灵敏传感的SMED平台。器件在湿环境稳定性、传感性能指标上全面超越现有技术，实现了健康监测、运动感知、人机交互等场景的实用化验证，为类皮肤电子器件的工程化应用奠定了基础。

文献链接：https://doi.org/10.1002/smtd.202501064