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随着国民经济和生活水平的提升，人们越来越重视身体健康。跑步，因其操作简单和方便易行而成为一项大众普及化运动。目前，大多数跑者还处于盲从大众的不科学运动阶段，长期错误的跑步方日积月累给膝关节带来严重的伤害。近些年，穿戴式传感技术飞速发展，使得实时监测膝关节弯曲状态成为可能，有望形成预警机制从而避免潜在的膝关节运动损伤。但是，现有的柔性传感器大都构建于实心的高分子基底上，密闭不透气，导致长期穿戴的舒适性极差。另外，剧烈运动下皮肤分泌大量汗液，也会严重侵蚀器件形态和干扰传感性能。
为解决上述穿戴传感器的实用化问题，河北工业大学孟垂舟/郭士杰教授课题组以静电纺丝获得的具有丰富微孔隙与通道结构的热塑性聚氨酯弹性体橡胶（TPU）纤维毡为基材，并在其上分别负载银纳米线（AgNWs）和离子液体（IL）得到纳米纤维电极和电解液，最终研制出电极-电解液-电极三明治结构的离子型触觉传感器。得益于超级电容触觉传感原理和全纳米纤维多孔微结构，传感器展现出高的灵敏度、宽的检测量程、短的响应时间和优异的稳定性和重复性。此外，全纳米纤维网络结构富含微孔隙与通道，赋予了传感器透气、透湿等新颖特性。作为概念验证，将传感单元紧密贴附于膝关节边缘处，可实时监测股外侧肌、股内侧肌和髌韧带在膝关节弯曲、内旋、外展和不行、跑步等不同运动状态下的受力信号；将传感阵列紧密包覆于膝关节表面整体区域，可实时感知膝关节在跑步过程中不同位姿下的受力二维分布信息。综合考虑健康运动下膝关节关节角度的合适范围，有望为跑步位姿评判和膝关节损伤预警提供一种有效的途径与方法。![]()
图1 全纳米纤维传感器结构与形貌表征：（a）电极-电解液-电极三明治器件结构示意图；（b）AgNWs/TPU纳米纤维电极层；（c）全纳米纤维传感器；（d）传感器柔性和可拉伸性能；（e）IL/TPU纳米纤维电解液层。电容式传感器采用电极-电解液-电极三明治器件结构（图1a），导电电极由AgNWs网络负载于TPU纳米纤维毡得到（图1b），纳米纤维电解液由IL和TPU溶液共同静电纺丝得到（图1e），电极与电解液的界面经过粘稠的TPU溶液胶黏得到一体化器件。得益于高分子弹性体TPU基材，整个器件具有优良的柔性和可拉伸性能（图1d）。![]()
图2 传感工作原理与纳米纤维电极和电解液性能表征：（a）超级电容离子传感工作原理示意图；不同IL含量纳米纤维电解液的（b）应力-应变曲线、（c）CV曲线和（d）灵敏度曲线；纳米纤维电极的（e）电阻-应变曲线和（f）电导率-弯曲次数曲线；（g）纳米纤维TPU蘸取IL与共同静电纺丝IL/TPU在压缩1000次前后形貌对比。传感器基于离子压力传感新原理，在电极-电解液界面吸附的电荷形成超级电容，再叠加纳米纤维微孔结构，有助于获得高的灵敏度和宽的检测量程（图2a）。对于纳米纤维IL/TPU电解液，通过调节IL含量调控其力学、电化学和传感性能：随着IL含量的增加，其力学拉伸性能逐步降低，因为IL提升了IL/TPU复合物的液相属性；随着IL含量的增加，其超级电容效应愈加明显，得益于游离离子数量的增加；随着IL含量的增加，传感灵敏度逐步提升，但是兼顾IL/TPU的物理形态保持，20%含量的IL作为最优配方。纳米纤维AgNW/TPU电极具有优异的柔韧性能和拉伸性能，在拉伸100%（图2e）和弯曲1000次（图2f）下其导电性能都得到很好的保持。与传统方法制备的TPU纳米纤维蘸取IL样品相比，本文得到的共同静电纺丝IL/TPU样品具有更优异的一体化性能，即在被按压1000次后IL液体成分不会泄露出来，为传感器实用化使用过程中的持久性能展现奠定了基础。![]()
图3 全纳米纤维传感器的透气、透湿、疏汗与穿戴舒适性能：（a）纳米纤维电极、电解液、传感器与常见柔性材料的透气性比较；（b）全纳米纤维传感器透气性随IL含量的变化规律；（c）全纳米纤维传感器透湿性；（d）全纳米纤维传感器的疏液体性；（e）全纳米纤维传感器与创可贴、Ecoflex在紧密穿戴10天后的皮肤健康状态对比。由于整个传感器件构建在纳米纤维网络结构上，其微孔隙和通孔能够让气体和水分的分子自由通过，赋予了传感器件透气、透湿的新颖特性。传感器的透气性接近于尼龙布料和创可贴等日常织物，远高于常规柔弹性PDMS基底（图3a）。透气性的关键在于中间纳米纤维电解液层，随着IL含量的增加，其透气性呈现出下降的趋势。当IL含量为25%时，透气性明显下降且低于日常织物（图3b）。因此，20%IL含量为最优选择。在透湿性方面，传感器件与日常织物无纺布相似，且在室温和体温的温度区间内变化不大（图3c）。由于TPU本征的疏水特性，整个传感器件呈现出疏水珠（接触角大于130°）的新颖特性，且该特性在碱性溶液和人工汗液中都能得到很好的保持（图3d）。透气和透湿的特性保证了气体和水的分子在皮肤与外部环境中形成良好的微循环，疏汗的特性保证了皮肤分泌汗液不会对传感器造成侵蚀和损害。因此，全纳米纤维传感器展现出良好的生物相亲特性，即在紧密贴附皮肤10天后不会刺激皮肤产生红肿等不良过敏反应（图3e），且该性能要由于创可贴产品。![]()
图4 全纳米纤维传感单元应用于膝关节运动状态监测：三个柔性传感单元紧密贴附于膝关节边缘用于监测膝关节在（a）弯曲、（b）内旋、（c）外展和长时间持续（d）步行、（e）跑步过程中的压力波形信息。得益于全纳米纤维传感器优异的柔性和可拉伸性能，可以将其共形紧密地贴附于膝关节边缘这类凸凹起伏的皮肤表面，为压力信号的真实传感奠定了基础。分别将三个传感单元固定于膝关节股外侧肌、股内侧肌和髌韧带部位，以监测膝关节做出弯曲（图4a）、内旋（图4b）与外展（图4c）动作时三个点位上的实时受力曲线。对于不同的膝关节运动，三个传感器获取的连续受力曲线展现出不同峰和频率的特征属性。韧带的震动和其收紧与放松是产生特征峰的原因所在。由于全纳米纤维传感器良好的穿戴舒适性，长时间（＞1000 s）步行（图4d）和跑步（图4e）过程中的压力信号也能够被连续不间断地监测到，且通过传感曲线的形态能够分析出步频和步强等信息。![]()
图5 全纳米纤维传感阵列应用于不同跑姿下膝关节压力分布监测：（a）大面积柔性传感阵列（a）紧密包裹于膝关节表面；（c）膝关节处于前摆位姿下二维压力分布云图。将多个传感单元横纵排列构成传感阵列（5×5=25个点，图5a）紧密包裹于膝关节表面（图5b），可以监测出膝关节表面整体区域内的受力二维分布信息。在穿戴者完成一个跑步位姿循环（站立、后蹬、前摆、支撑与着陆）时，膝关节表面展现出不同强度与分布特征的受力二维云图，这为多维度膝关节受力信息的获取提供了一种新的有效途径。该工作以“Flexible, stretchable, breathable and sweatproof all-nanofiber iontronic tactile sensor for continuous and comfortable knee joint motion monitoring”为题发表在《Nano Energy》上（doi: 10.1016/j.nanoen.2022.107768）。论文第一作者为河北工业大学机械工程学院博士生王鹏，通讯作者为河北工业大学机械工程学院孟垂舟教授。相关研究工作得到了国家自然科学基金（61871173）与河北省自然科学基金（A2020202002）的支持，并依托省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室和河北省机器人感知与人机融合重点实验室完成。论文下载地址：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107768
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