用于腰部康复的微裂纹/微鳞片修饰的纤维基电子器件

仝飞雨 ,  石静敏 ,  蒋祁 ,  李明 ,  徐瑞东 ,  李港华 ,  刘圆沅 ,  张欣宇 ,  杨金凤 ,  田明伟 ,  李煜天

工程（英文） ›› 2025, Vol. 55 ›› Issue (12) : 204 -216.

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工程（英文） ›› 2025, Vol. 55 ›› Issue (12) : 204 -216. DOI: 10.1016/j.eng.2025.07.004
研究论文

用于腰部康复的微裂纹/微鳞片修饰的纤维基电子器件

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Microcrack/Microscale Decorated Fiber-Based Electronics for Waist Rehabilitation

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摘要

纤维基应变传感器因其固有的柔软性和可编织性，已经彻底改变了柔性织物电子领域，在人类健康监测等应用中显示出巨大的潜力。尽管相关研究已取得长足进展，但根据不同的应用需求定制这些传感器的应变灵敏度和传感范围，以最大限度地提高灵敏度或确保稳定的信号传输仍是一个关键的未解决难题。在此，本研究采用湿法纺丝和界面金属离子沉积技术制备了银（Ag）/聚氨酯（PU）纤维基应变传感器（Ag@PU x ）。值得注意的是，本研究引入了一种简单的机械策略，通过改变纤维基材的预拉伸状态来调整应变灵敏度和传感范围。预拉伸后，在纤维表面构建了一个具有微鳞片结构的导电网络，该导电网络表现出高导电性[电导率（σ）为1.9 × 105 S·m-1；在360°扭转变形下电阻变化量（ΔR）/初始电阻（R0） < 0.03%]，并在50%应变下具有高达10.1的品质因数（Q）。相反，未经预拉伸处理的纤维表面显示出微裂纹结构。当施加应变时，这些微裂纹扩展，导致电阻增加，显示出更高的应变灵敏度[应变系数（GF）= 7.7]，且断裂应变超过660%。本文通过系统研究阐明了这些不同传感性能背后的潜在机制。Ag@PU x 能够适应包括人体运动监测、语音识别和手势识别在内的多种任务。重要的是，本研究开发了Ag@PU x 用于监测运动状态，同时稳定地传输电信号。最终，Ag@PU x 在运动监测、腰部康复、热管理、电磁屏蔽和抗菌除臭等应用中展现出巨大的前景。

Abstract

Fiber-based strain sensors have emerged as revolutionary components in flexible electronics owing to their intrinsic compliance and textile compatibility, particularly in human-centric applications ranging from health diagnostics to motion tracking. While substantial progress has been achieved, a critical challenge persists in reconciling the contradictory demands of ultrahigh sensitivity and stable signal transmission through rational structural design. Herein, we develop dual-structure silver (Ag)/polyurethane (PU) fiber-based strain sensors (Ag@PUx) via an integrated wet spinning and interfacial metal ion deposition (IMID) strategy. Notably, we propose a mechanical pre-stretching strategy that enables precise regulation of strain sensitivity and sensing range through controlled substrate deformation. Systematic characterization reveals that pre-stretched PU fibers form ordered microscale conductive networks, exhibiting exceptional electrical stability (conductivity (σ) = 1.9 × 105 S·m−1; the change in resistance value under external tensile force (ΔR)/the initial resistance of the sensor (R0) < 0.03 under 360° torsional deformation) with a high quality factor (Q) of 10.1 at 50% strain. In contrast, non-prestretched counterparts develop microcrack-dominated architectures, achieving a high sensitivity (gauge factor (GF) = 7.7) through strain-induced crack propagation and a fracture strain exceeding 660%. A systematic investigation elucidates the underlying mechanisms behind these distinct sensing performances. The Ag@PUx fiber-based electronics are capable of adapting to various tasks including human motion monitoring, voice recognition, and gesture recognition. Importantly, we developed the Ag@PUx fiber-based electronics to monitor motion states while stably transmitting electrical signals. Ultimately, the Ag@PUx show great promise in applications such as motion monitoring, waist rehabilitation, thermal management, electromagnetic shielding, and antibacterial deodorization.

关键词

纤维基 / 应变传感器 / 微结构 / 灵敏度可调谐 / 机械策略

Key words

Fibrous base / Strain sensor / Microstructure / Sensitivity tunable / Mechanical strategy

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仝飞雨,石静敏,蒋祁,李明,徐瑞东,李港华,刘圆沅,张欣宇,杨金凤,田明伟,李煜天. 用于腰部康复的微裂纹/微鳞片修饰的纤维基电子器件[J]. 工程（英文）, 2025, 55(12): 204-216 DOI:10.1016/j.eng.2025.07.004

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1 引言

柔性织物基电子产品的最新发展为各种可穿戴式应用铺平了道路，人们对能够在各种应用场景中检测到外部刺激的新型柔性传感器的需求越来越大[1‒3]。特别是可穿戴式应变传感器，将人体全方位运动转化为机器可识别的电信号，有望在可穿戴监测设备[4‒6]、人体运动捕捉[6‒8]、人机交互[6,9‒11]、个人健康管理[6‒9]、远程医疗等领域发挥重要作用。基于多种结构和传感机制的纤维基应变传感器已经被设计出来，包括电阻式传感[6‒7]、电容式传感[1,11‒12]和压电式传感[2,8]，其中电阻式应变传感器因制造简单、信号采集方便、柔软可拉伸、可编织等优点被广泛研究，且其拥有高应变灵敏度、宽应变监测范围、快速响应性等特点，能够适用多种应用场景。因此，应变灵敏度和工作范围也成为柔性应变传感器设计中需要考虑的两个关键参数[13‒14]。以往报道中，大多数柔性应变传感器的研究重点在于提高灵敏度或扩大检测范围，只有少数工作关注到了应变传感器需要满足不同身体部位的应用要求（即应变灵敏度和检测范围的按需设计）[15]。这种按需设计的传感器能够充分利用其最有效测量区域内的高灵敏度、线性度以及准确性，实现效能最大化。此外，对于应变不敏感的纤维基传感器可以作为导线使用，以确保信号稳定传输。

为了设计和制造具有不同应变灵敏度和检测范围的纤维基应变传感器，已有研究探索了材料和结构策略。首先，在材料领域，使用不同的高导电材料或调节导电物质负载量已被证明可以有效地构建具有不同检测范围的传感器[6,16‒17]。然而，这种方法不可避免地使制备过程复杂化，并引发界面耦合困难的问题。特别地，机械性能问题（如界面断裂、导电层失效、模量不匹配等）增加了设计困难度，并降低了可穿戴舒适性。其次，在结构领域，现有研究表明蠕虫状褶皱结构[18‒19]、蛇形结构[20]和卷绕结构[21‒23]等可拉伸结构可以产生空间运动以实现应变不敏感特性。尽管这些结构的制造过程简单且具有优势，但在纤维本征结构层面解决应变灵敏度和检测范围可调谐问题仍有待继续探究。一方面，由于可拉伸结构的存在，结构的变形会分散到整个可拉伸区域，导致单位面积上的应变减小，导电通路可能不会因为应变而发生明显的通断变化，进而减弱了传感器的灵敏度；另一方面，随着应变的增加，传感器的输出信号可能不再与应变保持线性关系，这可能导致测量结果的准确性下降，并需要引入额外的校正措施来补偿这种非线性输出。因此，利用这些方法在纤维本征结构上实现工作范围和应变灵敏度的可调谐是极其困难的。

在此，本研究利用界面金属离子沉积（IMID）技术将Ag单质牢固地沉积在湿纺聚氨酯（PU）纤维表面，制备了本征高弹高导电纤维。本研究提出了一种利用预拉伸策略构筑的微裂纹和微鳞片导电结构，打破了应变灵敏度和检测范围不可调谐的限制。由微裂纹结构引起的传感层应变灵敏传感机制，在40%~46%应变范围内，应变系数（GF）高达7.7，同时具有超过660%的显著断裂应变，其传感机理是通过拉伸扩展微裂纹，导致电阻变化达到敏感特性。由微鳞片结构引起的传感层应变不敏感传感机制，展现出超高的应变不敏感行为[品质因数（Q）= 10.1，应变（ε）= 50%]，其传感机制结合了分级结构滑动（在小应变下，Ag岛发生相对滑动但保持相互连接）和裂纹桥接机制（在大应变下，槽内的Ag颗粒在微裂纹边缘形成导电桥），确保了导电路径的完整性，赋予材料在360°扭转变形下（ΔR/R0 < 0.03%）的应变不敏感特性，使其即使在复杂应变条件下也是信号稳定传输的理想导体。这些特性使其成为智能训练服装和智能热敷带中电信稳定号传输的理想候选材料。值得一说的是，本研究制备的可调谐微结构应变Ag@PUx电子器件能够实现连续化生产和纺织加工，其具有优异的电加热性、电磁屏蔽性和抗菌除臭性，在多功能、抗干扰的检测型智能可穿戴设备领域具有显著的应用潜力。

2 实验部分

2.1 材料

PU由济宁市华凯树脂有限公司生产。N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、SnCl2、HCl、Zn粒、AgNO3、葡萄糖（C6H12O6）、氨水（NH3·H2O）购自青岛泓峘信环境工程有限公司。实验中使用的水为去离子水。

2.2 纤维基应变传感器的制备

Ag@PU x 纤维基应变传感器的制作过程主要包括3个步骤，分别是纺丝、前处理（敏化、活化）、界面金属离子沉积，前处理和界面金属离子沉积过程中保持纤维的预拉伸状态。首先，将PU与DMF溶液按7∶3的比例磁力搅拌均匀，然后将PU/DMF溶液以0.2 mL∙min-1的速率通过内径为0.41 mm的针头注入去离子水凝固浴中。在水中完全絮凝30 min后，用烘箱干燥。其次，将敏化剂SnCl2溶解于HCl中，加蒸馏水将SnCl2定容至15 g∙L-1，定容时加入Zn粒，以防产生白色沉淀。然后将PU纤维浸入配置好的溶液中，在40 ℃下超声振荡40 min，在此期间PU纤维表面吸附一层易被氧化的Sn2+，目的是在活化工艺中还原Ag+。待敏化结束用去离子水冲洗3遍PU纤维（敏化后的纤维要立即清洗，且清洗时间不能过长，防止氧化）；选用0.3 g∙L-1的AgNO3作为活化剂，在40 ℃静置活化40 min，目的是在PU纤维表面形成具有催化活性的Ag中心，降低氧化还原反应的活化能。待活化结束用去离子水冲洗3遍。值得一说的是，活化后纤维表面颜色由白色变成黄褐色，这也是判断是否活化成功的一个标志。

最后，配置金属沉积液，还原剂与氧化剂分开配制。还原剂选取浓度为6 g∙L-1的C6H12O6，氧化剂选取浓度为10 g∙L-1的AgNO3，向AgNO3溶液中逐滴加入2%的NH3·H2O，溶液逐渐产生红褐色沉淀，继续逐滴滴加NH3·H2O，沉淀消失。银氨溶液不稳定，需要现配现用。界面沉积Ag时，将两种液体同时倒入镀池中，再倒入其他试剂，同时用玻璃棒慢速搅拌，使试剂均匀混合，然后放入待沉积样品。还原液与银氨溶液等试剂混合5 min后，溶液变成黑褐色，整个沉积过程需要30 min，待沉积过程结束，用去离子水冲洗3遍，放入80 ℃烘箱中烘干，再重复两遍沉积工序，以增加Ag层厚度。界面沉积后纤维表面Ag层光亮、有金属光泽，干燥成膜后释放预应变。不同预牵伸倍数制备的纤维基应变传感器表示为Ag@PU x （预牵伸应变x%，x = 0, 100, 200, 300）。

2.3 测试与表征

采用扫描电子显微镜（SEM; JSM6390LV, JEOL，日本）对纤维基应变传感器的表面和截面形貌进行表征。通过能量色散X射线光谱（EDS; Axis Suprat, Shimadzu，日本）观察Ag元素的分布。断裂强度和拉伸伸长率以及加载-卸载的力学性能采用力机电万能试验机（Instron 5965，美国）测量。采用系统源表（system source meter; Models 2601B, Keithley，美国）评估组装传感器的所有传感性能，其中拉伸过程使用步进电机控制器（DKC-1B）和滑道模块（FSL40-450 mm）进行。通过热成像亮度计（CX-1000）在日光环境下测试发光二极管（LED）的亮度，并分别记录LED所连接的光纤在不同应变下的亮度。LED灯和光纤的外加电压为5 V。采用红外热像仪（UTi 120 s）记录镀银纤维制备的织物在不同条件下的平衡温度。通过观察抑菌带，对革兰氏阴性菌大肠杆菌（ATCC: 25922）和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌（ATCC: 29213）进行抑菌评价。此外，利用矢量网络分析仪（PNA-N5244A; E5071C, Agilent，美国）对样品的电磁干扰屏蔽性能进行了评估。

3 结果与讨论

3.1 Ag@PU x 传感器灵敏度可调谐的机械策略

图1（a）展示了用于调节纤维基应变传感器灵敏度的简单机械策略的流程图。这种策略称为辊轮预拉伸策略。首先，通过湿法纺丝出的PU纤维经过装有去离子水的凝固槽后，纤维表面布满沟槽，截面具有孔洞（附录A图S1），这是湿法纺丝特有的结构[24‒26]，详见附录A注释S1。之后，通过预拉伸策略调节牵伸罗拉的速度来控制PU纤维的预拉伸比，然后对PU纤维进行前处理（敏化、活化），依次浸入SnCl2液槽、AgNO3液槽。最后浸入镀液槽，利用界面金属离子沉积技术将Ag沉积在PU纤维表面。不同于以前已发表的工作，本研究纺出的纤维不用经过粗化和除油[27]，或者多巴胺改性[28‒30]等复杂工艺就可以轻松沉积Ag微粒，这是因为湿法纺丝出的纤维表面粗糙[31‒32]，有利于金属粒子的沉积。有趣地是，图1（b）展示了敏化后纤维表面颜色仍为白色，而活化后纤维表面颜色则变为黄褐色，这是由于活化时纤维表面的Sn2+被氧化为Sn4+，活化液中的Ag+还原成Ag单质微粒沉积在纤维表面，形成了具有催化活性的Ag中心。最终，通过界面金属离子沉积技术实现具有银白色金属光泽的纤维基应变传感器（Ag@PU x ）的连续制备（附录A图S2）。

在未经过预拉伸处理的PU纤维表面沉积Ag颗粒后，Ag层呈现出光滑且均匀的表面形貌，无微裂纹产生，如附录A图S3所示。由于PU基底相较于Ag层的延展性具有更高的可变形性，拉伸Ag@PU0会导致Ag层发生脆性断裂，进而在机械应力作用下形成岛状微裂纹Ag层（附录A图S4）[33]。图1（c）左侧显示，施加应力时，Ag@PU0表面的岛状Ag层会发生分离。随着微裂纹逐渐扩展，导电路径被破坏，导致传感器电阻增加。然而，当释放所施加的应力时，导电层中的微裂纹逐渐收窄，恢复了先前断开的导电路径，从而降低了电阻。Ag@PU0的电阻对施加的应变表现出高灵敏度，在40%~46%的应变范围内，其GF为7.7（附录A图S5），可将其归类为纤维基应变灵敏型传感器。相比之下，经过预拉伸处理的传感器在实际应用中更能抵抗应变对电阻的影响。这拓宽了其应变不敏感检测的范围，并展现了导体固有的拉伸导电特性。这是制造具有应变不敏感性特性的弹性电子元件的关键步骤。具体来说，预拉伸过程在Ag层沉积过程中诱发了预压缩状态。当释放预应力时，弹性PU基底和Ag层同时收缩。但由于PU基底的变形能力高于Ag层的有限延展性，Ag层会发生脆性断裂，形成碎片化的Ag岛。这些Ag岛的堆积形成了微米级结构的传感层[图1（c）右侧]。另一方面，预拉伸过程减小了PU纤维的整体直径并拉长了其表面沟槽，从而增加了比表面积。在IMID过程中，Ag颗粒沉积在扩展的沟槽表面上[图S3（b）~（d）]。当释放预应力时，部分Ag颗粒会被卷入沟槽中。当对Ag@PU300施加一定应力时，Ag层通过分级结构滑动（小应变下Ag岛相对滑动但保持相互连接）和裂纹桥接机制（大应变下沟槽中的Ag颗粒在微裂纹边缘形成导电桥）来维持导电路径的完整性，从而抵消应变对电阻的影响（附录A图S6）。这些机制抵消了应变引起的电阻变化，实现了高达80%的应变不敏感检测范围，无需复杂的信号补偿。相反，对于未预拉伸的PU纤维，在IMID过程中，由于沟槽未扩展，Ag颗粒仅沉积在PU表面上（图S4），导致沟槽内Ag填充不足。因此，在后续拉伸过程中缺乏裂纹桥接效应。结果，Ag@PU x 的电阻对施加的应变不敏感，将其归类为纤维基应变不敏感型传感器。这种“机械预编程”策略为开发高性能柔性电子设备提供了一种新的方法。值得注意的是，本研究发现通过预拉伸策略构建的微米级结构导电网络可以实现可调的传感检测范围和应变灵敏度。当不施加预拉伸时，纤维具有极高的灵敏度，是一种应变灵敏型传感器；预拉伸倍数越大，纤维的应变不敏感特性越明显。

简而言之，未经过预拉伸的Ag@PU0传感器表现出优异的应变灵敏性，可以应用于监测肘关节运动信号的智能训练服中，如图1（d）中测试者肘关节处的传感器（蓝色线）。当测试者的胳膊处于伸直状态时，纤维表面Ag层的微裂纹较小，银岛间相互接触，电子移动路径通畅，表现为通路状态，蓝色线发光；当测试者弯曲胳膊时，Ag层的微裂纹扩大，银岛相互分离，电子移动路径中断，电阻显著增加，表现为断路状态，蓝色线不发光。在胳膊循环“弯曲”和“伸直”的运动过程中，Ag@PU0传感器能够监测并传输周期性的电信号，如附录A视频S1和图1（d）中的拉伸-ΔR/R0曲线（蓝色线）所示，体现了其应变灵敏传感机制。与之相反，经过预拉伸的Ag@PU x 传感器表现出应变不敏感性，可以作为传输运动信号的导线使用[如图1（d）中智能训练服中的红色导线]，即使在应变条件下，也能保证电信号向终端的稳定传输。无论胳膊是“弯曲”还是“伸直”状态，纤维表面层叠的微鳞片Ag层与拉伸后微沟槽内的Ag层始终相互接触，仍保持电子移动路径畅通，这使得电阻变化不明显，确保电信号稳定传输，表现为臂带持续发光（实际应用可见附录A视频S2），如图1（d）中的拉伸-ΔR/R0曲线（红色线）所示，体现了其应变不敏感传感机制。因此，本研究通过利用预拉伸策略构建微裂纹和微鳞片结构的两种传感机制，实现了在纤维本征结构上应变灵敏性和应变不敏感性的可调谐，这在柔性可穿戴设备中显示出良好的应用前景。

3.2 Ag@PU x 微结构的调控机制

图2（a）为界面Ag离子的沉积原理。首先，在敏化工序中[图2（a）中的白色段纤维]，纤维表面吸附一层易被氧化的Sn2+，目的是在活化工序中还原活性金属离子，使纤维表面对镀金属敏感。反应方程如附录A式（S1）所示。其次，在活化工序中[图2（a）中的黄褐色段纤维]，纤维表面的Sn2+逐渐被氧化为Sn4+，同时活化液中的Ag+得到电子被还原成Ag单质微粒，这些Ag微粒沉积在纤维表面，形成具有催化活性的Ag中心。反应方程如附录A式（S2）所示。最后，在IMID工序中[图2（a）中的银色段纤维]，纤维表面发生氧化还原反应，完成Ag的沉积。反应方程如附录A式（S3）所示。

为了深入理解Ag@PU x 传感器的微结构，本研究采用了SEM技术来观察Ag@PU x 的表面形貌。图2（b）展示了通过湿法纺丝制备的PU纤维表面SEM图像，从中可以清晰地观察到纤维表面的沟槽结构。通过调节预拉伸装置的牵伸罗拉速度，本研究控制了纤维的预拉伸比例（分别为0、100%、200%、300%），从而制备了四种不同的传感器（标记为Ag@PU x ）。在界面金属沉积过程后，本研究通过SEM图像观察到不同预拉伸比下纤维表面的变化。对于未预拉伸的Ag@PU0，其表面形成了岛状微裂纹[图2（c）]。而对于经过不同程度预拉伸的Ag@PU100、Ag@PU200和Ag@PU300，Ag沉积不仅发生在被拉伸展开的表面，还填充到了沟槽的内部[图2（d）]。这种沟槽结构的展开在拉伸过程中赋予了弹性导体极大的拉伸性，有助于在预应力释放后容纳更高的应变，同时保持传感层导电网络的连续性。当预应力释放后，弹性基体恢复到初始尺寸，沟槽内的Ag层被压缩至沟槽内部，表层的Ag层发生屈曲，形成相互层叠的微鳞片结构[图2（e）]。这种微鳞片结构的传感层能够释放部分界面应力以适应较大的应变，防止导电通路断路。当Ag@PU300处于大应变时，沟槽中的Ag颗粒起到裂纹桥接作用（在裂纹边缘形成导电桥），确保导电路径的完整性，稳定电信号传输（图S6）。预拉伸过程构建了微尺度结构传感层，能够抑制拉伸过程中银层的裂纹扩展，释放部分界面应力，并保持导电网络的稳定性和连续性，从而扩大了应变不敏感检测范围。

为了进一步证实Ag是否成功沉积在PU纤维表面，本研究利用EDS映射图像观察到纤维表面存在一层致密的Ag层[图2（f）]，其中Ag元素原子百分比高达66.97%，这证实了Ag在PU纤维表面成功沉积。从截面SEM图（图S1）也可以观察到Ag在纤维表面的成功沉积。此外，从附录A图S7中还可以观察到Ag@PU x 传感器存在C元素（红色）和O元素（蓝色），其原子百分比分别为4.68%和28.35%（附录A图S8），这两种元素是PU的组成部分。为了展示应变灵敏型传感器与应变不敏感型传感器的性能差异，本研究对比了Ag@PU0传感器和Ag@PU300传感器在不同应变下的周期性加载和释放过程中的相对电阻变化[图2（g）]。结果显示，即使在20%应变下，Ag@PU300传感器的相对电阻变化几乎可以忽略不计，表现出对应变的不敏感性；而Ag@PU0传感器的电阻波动明显，表现出对应变的高度灵敏性。这些结果再次证明了微裂纹和微鳞片结构的传感层分别是应变灵敏型和应变不敏感型传感器的关键所在。综上所述，本研究通过预拉伸策略构筑的微裂纹和微鳞片结构的传感层，实现了在纤维本征结构上应变灵敏性和应变不敏感性的可调谐，这一创新为按需设计传感器灵敏度提供了一种有效的策略，以适应各种应用场景。

3.3 Ag@PU x 的机电性能及表征

为了深入探究本文所述可调谐应变传感器的机电性能，本研究对Ag@PU x 进行了详尽的力学与电学性能评估。如图3（a）所示，得益于PU基材固有的优异弹性特质（附录A图S2和视频S3），所有样品均展现出了卓越的拉伸性能，其断裂伸长率普遍超过200%。值得注意的是，由于预拉伸处理引入的残余内应力效应，随着预拉伸比例x%的增加，Ag@PU x 的断裂伸长率呈现出逐渐下降的趋势[34]。例如，未经预拉伸的Ag@PU0断裂伸长率可达668%，而经过300%预拉伸的Ag@PU300断裂伸长率则降至275%，这一现象直观地反映了预拉伸程度越高，基材的力学性能损失越显著。在实验中观察到，随着界面沉积的Ag层数逐渐增加，导电路径也随之增多，进而提高了材料的电导率（附录A图S9和图S10）。当达到三层银涂层时，银层的连续性和致密性达到了最佳状态，此时电导率达到最高值。然而，若继续增加银层的厚度，反而会导致电导率下降。这一现象的原因可能在于，过厚的银层会在基材与镀层之间产生较大的内应力。这种内应力会削弱银层与基材之间的结合力，从而降低了整体的电导性能。因此，Ag@PU300既保证了高电导率，又避免了结合力减弱问题，表现出最优的电学性能。图3（b）展示了Ag@PU300在不同拉伸应变（20%~100%）下的加载-卸载曲线，从中可以看出该传感器具有良好的弹性恢复性和轻微的力学滞后现象，这表明样品弹性回复性良好，回弹性可靠。特别值得一提的是，在10 mm∙s-1速度下，图3（c）中数据显示Ag@PU300对20%应变的响应时间仅为78 ms，恢复时间为190 ms，表明其具有良好的快速响应和恢复能力。对外界应变的快速响应能力对于监测人体形变的即时性具有重要意义，这种特性使得Ag@PU300在实时健康监测、运动分析等应用场景中具有显著优势。

图3（d）对比了Ag@PU0与Ag@PU300的可逆相对电阻变化。由于基材是弹性体，所以两者都具有微小的电学滞后现象[35]。从图中可以清晰地看到，Ag@PU0的电阻随着应变（0~50%）的增加而迅速上升，表现出较高的应变灵敏性；相比之下，Ag@PU300则展现出更宽的应变范围（0~80%），且在此范围内电阻变化相对平缓，ΔR/R0值保持在30以下，特别是在0~30%的应变范围内，相对电阻变化小于1，显示出优异的应变不敏感性。此外，图3（e）显示了四种类型传感器的初始电导率，分别是4.6 × 102 S·cm-1、6.7 × 102 S·cm-1、1.4 × 103 S·cm-1和2.0× 103 S·cm-1。这种电导率的变化主要归因于纤维表面沉积的Ag含量不同。随着预拉伸比的增加，PU纤维变薄，导致比表面积增大，从而提高了Ag颗粒负载的效率[36]。预拉伸会在PU纤维表面产生微米级的裂纹（附录A图S11）。这些裂纹不仅增加了Ag颗粒负载的界面面积，还使PU纤维的表面变得粗糙，提供了更多的“陷阱”位点来机械固定Ag颗粒。同时，这些裂纹有助于镀液的渗透和离子扩散。根据电导率方程[附录A式（S4）]，纤维表面沉积的Ag越多，传感器的电阻越小，电导率相应地越高。图3（e）还显示了一个有趣的现象：随着预拉伸比的增大，Ag@PU x 检测范围也随之扩大。这是因为预拉伸比例越大，在预应力释放后，纤维表面的微鳞片Ag层数越多。当对Ag@PU x 施加应变时，这些相互层叠的微鳞片Ag层能够展开并平铺于纤维表面，从而适应较大的应变并保证导电通路的完整性。因此，在导电通路完整且能够回复到原始状态的前提下，预拉伸比例的增加使得传感器能够承受更大的应变范围，从而拓宽了检测范围。另外，本研究对比了Ag@PU300与其他已报道的纤维基应变传感器[13,26,29,37‒44]之间的电导率[图3（f）]。对比结果显示，本文设计的Ag@PU300在50%拉伸应变下仍保持500 S·cm-1的高电导率，这一性能远超大部分同类型的传感器。这表明本研究制备的Ag@PU300传感器不仅能够满足人体运动时的应变要求，还具备出色的导电性能，能够作为传输运动信号的导线。

在实际应用中，长期耐用性是传感器必须具备的一个重要性质。如图3（g）展示了Ag@PU300在20%应变下的10 000次循环测试结果。从图中可以看出，即使在长达10 000次的循环中，传感器的输出曲线依然保持很高的一致性和重复性，这充分证明了Ag@PU300具有优异的循环稳定性。尽管预拉伸策略会在一定程度上削弱材料的力学性能[图3（a）]，但经过300%预拉伸的Ag@PU300依然展现出了卓越的循环耐久性能。总的来说，Ag@PU300在应变条件下也能保证电信号向终端的稳定传输，这一特性使其在各种应用场景中表现出色，无论是在人体运动监测还是其他需要高可靠性和稳定性的应用中，都能提供可靠的数据。这种优异的表现源于其传感层独特的微鳞片结构和材料的预拉伸比例设计，使得传感器能够在长期使用中保持稳定的性能。

3.4 可调谐应变传感器的应用

作为概念证明，如图4（a）所示，本文通过使用Ag@PU0和Ag@PU300连接LED灯泡，展示了两者在不同应变下的亮度变化。在未拉伸时，两传感器均能使小灯泡发出亮光。然而，在40%应变时，Ag@PU0连接的LED灯泡已熄灭，而Ag@PU300在80%应变下亮度几乎不会因弹性电路的伸长而改变。这反映了它们各自设计目标的不同：Ag@PU0对应变灵敏，适用于需要高灵敏度的应用场合，Ag@PU300对应变不敏感，更适合于要求稳定性的环境。在这里，我们使用质量因子Q来评价传感器在各种应变条件下的电响应，定义为应变百分比除以电阻变化百分比[45]。

Q=(l-l0)/l0(R-R0)/R0

式中，l为光纤的长度；l0为光纤的初始长度；R为光纤的电阻；R0为光纤的初始电阻。Q值越大，表示传感器在相同应变下的电阻变化越小，稳定性和可靠性更高。与之前报道的其他涂层类型的应变不敏感型传感器相比，文献[13‒14,46‒50]中的传感器都具有可接受的Q值[图4（b）]。具体来说，当施加50%应变时，Ag@PU300的Q值为10.1，这一数值明显高于其他文献中报道的Q值，表明Ag@PU300传感器优异的应变不敏感特性。这种特性使得Ag@PU300能够作为稳定传输数据的导线，在可穿戴和柔性电子设备应用中展现出巨大的潜力。为了进一步验证其实际应用的可行性，研究探讨了Ag@PU300应力不敏感型传感器在不同变形条件下（如拉伸、扭转和弯曲）的相对电阻变化[图4（c）]。从图4（d）可以看出，初始阶段小形变下（< 20%）时，Ag@PU300传感器的相对电阻变化并不显著，即使在40%应变范围内，相对电阻也小于2.0%。此外，当Ag@PU300传感器经历扭转360°过程中，相对电阻仅出现微小的变化[图4（e），ΔR/R0 < 0.03 %]，并且在完成一次完整的360°扭转之后趋于稳定，这进一步证实了该传感器具有良好的应变不敏感性。对于纤维材料而言，弯曲是一种常见变形形式。实验结果显示，当Ag@PU300传感器被弯曲至60°时，电阻变化仍然非常有限，增加值不超过1.0% [图4（f）]。这些结果表明Ag@PU300传感器在各种变形情况下（拉伸、扭转和弯曲）都具有较为稳定的电导率，这不仅满足了纺织基智能电子设备对灵活性的要求，又确保了其在用作智能可穿戴电子服装中的导线时，不会因为身体动作而影响电路信号传输的质量，同时也为开发更加可靠且功能丰富的柔性织物基电子产品提供了强有力的支持。

考虑到Ag@PU0具有更高的应变灵敏度，它可以用于实时检测和区分全范围内的人体运动和生理信号。将Ag@PU0紧密贴合于志愿者的手指表面时，它能够准确捕捉到由不同角度弯曲引起的微小变化，并通过生成周期性且稳定的输出信号来反映这些差异[图4（g）]。同样地，当传感器固定于手腕处，无论是手腕的弯曲还是扭转动作，都能通过其产生的稳定可靠的传感信号得到精确识别[图4（h）]。此外，将该传感器安装在膝盖部位，测试表明该传感器能够有效区分行走与慢跑等不同类型的下肢活动模式[图4（i）]，进一步证明了其对复杂运动模式的良好适应性。值得注意的是，除了适用于肢体动作外，Ag@PU0也适用于检测更为精细的生理活动。例如喉部运动[图4（j）]，包括重复吞咽、发音“morning”以及咳嗽在内的一系列喉部运动，附着在颈部的传感器能够轻松捕捉到这些微小的生理信号，并产生连续而一致的响应波形。这证明了本文研发的应变灵敏型传感器在各种应变条件下，既可以轻松准确地识别人体的不同运动，又可以输出稳定可重复的信号（附录A图S12），可用于全范围人体运动和生理信号检测的实时应变传感行为，非常适合用于开发下一代智能服装或健康追踪设备，特别是在需要进行高精度人体动态跟踪和长期健康监控方面具有不可替代的作用。

3.5 Ag@PU x 的热管理性能

久坐或长期伏案工作会导致腰椎及周围肌肉长时间处于紧张状态，这容易引发腰肌劳损、椎间盘突出等疾病。热疗作为一种非侵入性治疗方法，已被证实能够有效缓解腰椎疾病患者的疼痛症状[51]。基于焦耳定律[52]：

E=U2Rt

式中，E、U、R、t分别为产生的热量、输入电压、电阻和电加热时间。当电流通过具有一定电阻的导电纤维时，会产生热量，使导电纱线温度升高，从而实现加热效果。在电压不变的情况下，电阻越小，通过的电流就越大，产生的热量也越多，加热效果越明显。利用Ag@PU300的电阻对应变的不敏感特性，即当材料被拉伸时其电阻值变化极小这一特性，本研究开发了一种可通过蓝牙与智能手机连接并无线传输数据信号的智能热疗腰带[图5（a）]。该设备具有四档控温功能，允许用户根据个人需求和不同环境条件，主动调整加热强度，找到最适合自己的舒适温度区间，智能热疗腰带的加热过程和四档控温方式可见附录A视频S4。与传统的金属丝或膜作为加热元件的加热型护具相比，本研究提出的智能热疗腰带具有以下优势：首先，它是基于透气性好的针织面料设计而成，在沿脊柱方向实现面状均匀加热[图5（b）]，解决了传统方案中存在的局部过热以及空气流通不畅的问题；其次，它能提供无线和有线两种方式四档控温，可通过蓝牙与智能手机连接并无线传输数据信号；最后，它具备的弹性恢复性能够监测使用者的运动状态，如弯腰姿态[图5（c）]，这是利用Ag@PU0的电阻对应变的高度敏感特性（即当材料被拉伸时其电阻值显著变化这一特性），将Ag@PU0集成到智能热疗腰带中实现的。图5（c）中峰值的大小与穿戴者弯腰角度有关，能够提醒穿戴者注意弯腰的角度，防止过度用腰，从而预防腰椎疾病的发生。这些创新功能的应用，不仅提升了产品的舒适度和安全性，也为个性化健康管理提供了新的可能性。

热均匀分布被认为是电加热器的重要标准[53‒54]。本文利用红外摄像机研究了不同应变下织物的表面热分布，结果显示，在固定的3 V输入电压下，织物在0%~50%应变范围内表现出均匀的热分布[图5（d）]。此外，未拉伸织物温度设定为36.8 ℃，当拉伸织物至10%、20%和50%时，温度分别为37.4 ℃、38.0 ℃和38.3 ℃。可以看出，随着应变的增加，腰带表面温度稳定且均匀，能够保持皮肤附近局部温度的稳定，证实了其在运动使用条件下的稳定性。同时，这也印证了本研究制备的Ag@PU300传感器具有应变不敏感的特性。值得注意的是，在3 V电压驱动下智能热疗腰带即可达到较高温度，这一电压远低于36 V的安全阈值，因此可由便携式电池供电。这表明通过本研究制备的导电纤维所织成的织物，可以长期稳定地用于热治疗，在个人健康管理及生理运动监测方面具有巨大的应用前景。

3.6 传感器织物的抗菌和电磁屏蔽性能

近年来，随着传染性疫情的频繁发生，人们对于抗菌服装的卫生保健功能愈加重视。对于日常健康管理而言，抗菌服装能够阻止织物与人体代谢物质相结合，抑制微生物的滋生，从而降低疾病传播的风险、减少异味的产生。众所周知，Ag具有广谱抗菌性。Ag@PU x 传感器织物的抗菌机制如图6（a）所示，详细定义见附录A注释S2。值得一提的是，湿纺的PU纤维表面粗糙[24‒26]，并具有凹陷的沟槽结构[31‒32]，如图2（b）所示，能够使Ag微粒与PU纤维表面结合紧密，释放缓慢Ag+，长期稳定地维持有效的Ag+浓度。由于大肠杆菌是引起人类或动物胃肠道感染的主要细菌之一，而金黄色葡萄球菌通常寄生在人类和动物的皮肤、鼻子和喉咙处，因此本文选择革兰氏阴性的大肠杆菌和革兰氏阳性的金黄色葡萄球菌来评估由Ag@PU x 导电纤维织制的织物的生物杀灭活性。如图6（b）所示，采用抑菌圈试验对直径均为6 mm，未进行界面沉积Ag的PU纤维（i）织物、Ag@PU x 传感器（ii）织物和水洗30次后的（iii）织物的抑菌行为进行分析。在图6（b）中，（i）织物周围依旧没有任何抑菌圈，说明（i）织物本身不具有抗菌性能。相反，在（ii）织物和（iii）织物周围观察到明显的抑菌圈，直径均约为4 mm。这表明由Ag@PU x 导电纤维织制的织物具有良好的抗菌性能和耐水洗性。

此外，Ag@PU x 传感器织物不仅具有纺织品的柔软透气性，还兼顾金属织物的抗电磁屏蔽性，这使其在电子电器设备覆盖、军事装备遮蔽、电磁防辐射服装等领域也有应用潜力[55‒57]。Ag@PUx传感器织物能够有效进行电磁屏蔽主要由两个原因决定，从宏观角度来说[图6（c）]，Ag@PU x 传感器织物具有良好的导电性，对电磁波的影响主要是反射衰减损失。由于电磁感应在织物表面产生感应电流，在电流的作用下形成新的电磁场，当新产生的电磁场方向与入射电磁场方向相反时，两者的干扰作用会使入射电磁场衰减。从微观角度来说，湿法纺丝制备的PU纤维表面具有沟槽，内部具有孔洞，这种沟槽-孔洞结构有利于电磁波的反射和散射。如图6（d）第一部分所示，当电磁波入射到具有沟槽-孔洞材料表面时，通过纤维表面的沟槽多次反射降低了电磁波一部分的电磁能量，剩下的电磁波一部分返回到自由空间，另一部分电磁波穿透纤维，在遇到内部孔壁时再次被反射和散射。其中，反射至纤维内表面的电磁波通过表面进入空间，剩余的电磁波多次穿透孔洞，引起多次反射和振动，造成能量的大量损失，在纤维内部重复上述过程，直到到达纤维的另一表面，再次通过折射进入自由空间，如图6（d）第二部分所示。因此，对电磁干扰的有效屏蔽是由宏观角度纤维的导电性和微观角度纤维沟槽-孔隙结构中电磁波的多次反射和折射来实现的。值得一提的是，通常采用屏蔽效能（SE）值作为抗电磁屏蔽效果的评价标准（附录A表S1）。图6（e）展示了通过法兰同轴法测量得到的不同样品的测试效果，从图中可以观察到（i）织物的SE值接近于0，这意味着原始状态下的PU纤维几乎没有任何电磁屏蔽性能；（ii）织物的SE值在40左右，可以用作抗电磁屏蔽织物使用；而对于（iii）织物，虽然SE值有所下降，但是仍然在40左右，在可接受范围内。这证明了界面沉积Ag+后的PU纤维织制的织物具有良好的屏蔽效能和一定的耐水洗稳定性。

4 结论

综上所述，本研究用IMID技术成功构建了两种微结构银/聚氨酯的纤维基应变传感器（Ag@PU x ），不仅实现了应变传感范围和灵敏度的可调性，还克服了传统纤维基应变传感器在设计时无法针对特定应用场景定制应变灵敏类型的难题。具体而言，微裂纹结构的Ag层通过裂纹扩展，在40%~46%的应变范围内实现了高达7.7的GF。相比之下，微鳞片结构的Ag层通过两种机制保持导电路径的完整性：在小应变下，Ag岛相对滑动但仍保持连接（分级结构滑动）；在大应变下，沟槽中的Ag颗粒在裂纹边缘形成导电桥的裂纹桥接。这种设计在确保高导电性的同时，表现出对应变（50%应变时Q = 10.1）和扭转（360°扭转变形下ΔR/R0 < 0.03%）的不敏感性，使其成为电信号传输的理想稳定导体。最后，本研究制备的高性能应变Ag@PU x 电子器件能够实现连续化生产和纺织加工，其具有优异的电加热性、抗菌除臭性和电磁屏蔽性。这些特性突出了Ag@PU x 电子器件在多功能、抗干扰的智能可穿戴设备中的巨大潜力。

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