基于静电纺纳米纤维的柔性可穿戴压力传感器的研究进展

胡苗苗，赵 昕，任宝娜,吴 晶*

(1 北京服装学院 材料设计与工程学院 北京市纺织纳米工程技术研究中心,北京 100029;2 北京服装学院 材料设计与工程学院服装材料研究开发与评价北京市重点实验室,北京 100029)

近年来，随着科技的发展及人们对智能可穿戴设备的需求与日俱增，对于智能可穿戴设备的研究、开发和应用逐渐成为材料、电子、信息等多领域研究的热点。从初始研发获得结构较为繁琐笨重的可穿戴器件，到后来的兼具柔性与多种功能于一身的可穿戴产品，智能可穿戴设备实现了飞速发展。一般来说，智能可穿戴设备主要由传感元件、导电电路、能源供给设备、显示屏幕和无线通信元件组成[1]。传感元件是可穿戴器件的核心功能部分[2]。为了更加准确、方便地实现对人体生理系统和运动系统的实时监测，区别于传统刚性传感器的柔性可穿戴传感器应运而生，这种传感器在可植入式检测设备、运动行为采集设备以及生命监测等方面具有极大的应用潜力和发展空间[3]。

柔性可穿戴传感器可以对外界刺激产生不同的信号，根据其感应机制和探测对象的不同，可将柔性可穿戴传感器分为四大类[3]：柔性可穿戴压力、温度、应变以及自供电传感器。其中，人体的生理过程(如呼吸、心跳、脉搏搏动、发声声带振动等)及运动行为均伴随着人体不同部位压力的变化，设计和制备柔性可穿戴压力传感器，实时捕捉人体生理和运动过程中的微小压力变化，进而实现对人体生理过程及运动特性的监测具有重要的作用和意义[4]。柔性可穿戴压力传感器的传感机理主要包括三种模式[2]：(1)压电型，即利用外界压力引起某些特定类型的固体材料发生机械变形时产生电位差——压电效应，实现柔性可穿戴压力传感器的灵敏度响应和自供电传感；(2)电容型，即利用在施加压力时重叠区域面积与两极板间距离的变化，实现传感器电容的改变；(3)压阻型，即利用将外界作用力转化为传感材料电阻的变化过程，实现力-电信号的传感转换。依托这三种模式，柔性可穿戴压力传感器展示出优异的性能，包括响应速度快、灵敏度高、压力传感范围广、功耗低等。为了实现柔性可穿戴压力传感器对人体信号和环境变化监测的高灵敏度和响应性，以及满足应用过程中的高拉伸性、耐久性、柔韧性和生物相容性，研究人员广泛采用将导电纳米材料与可拉伸的柔性聚合物材料相结合的方法[4]，组成多孔网状交织结构，构建柔性可穿戴压力传感器。这种能够快速且高效地感应到周围环境的微弱的压力变化且将外部刺激转化为电信号的电子设备，缓解了以往传感器存在的柔性差、稳定性弱、灵敏度低以及响应时间慢等问题，拓宽了传感器将来在环境监测、生物医药、智能纺织品、仿真机器人皮肤等领域的应用[5-7]。

柔性可穿戴压力传感器在使用时与人体皮肤直接接触，或直接粘贴在皮肤上或紧挨着皮肤，实现这两种接触形式最好的载体有纳米纤维膜、纱线以及织物。调研近年的研究发现，纳米纤维的主要制备方法包括模板法、熔喷法、闪蒸法、静电纺丝法等[8]，相比较于其他方法，静电纺丝法具有工艺简单、成本低廉、纤维长径比大、形貌易于调控、纤维膜孔隙率高、比表面积大等优点，这些显著的尺寸效应使其在光、电、热、磁等方面展现出一些独特性能，能够更好地满足可穿戴压力传感器对柔性性能的要求[5]。

基于上述研究背景，本文对静电纺纳米纤维在柔性可穿戴压力传感器方面的应用研究进行综述。首先介绍了柔性可穿戴压力传感器的基本特点，归纳并总结了静电纺丝技术以及静电纺纳米纤维的特点和优势，重点讨论了基于静电纺的柔性可穿戴压力传感器在不同领域的应用，最后对使用静电纺丝法制备柔性可穿戴压力传感器的研究做出总结和展望。

1 柔性可穿戴压力传感器的特点

压力传感器是指能够感应压力、拉伸、弯曲等力学刺激，并通过电信号的方式将其展现出来的一种电子器件[9-10]。柔性压力传感器由柔性材料制成，不仅具有简单的刚性压力传感器的特点，还具有延展性、可折叠等独特的柔性特点及非常好的透明性[4]。因此，制备具有高灵敏度、精准度、良好的柔性以及多种功能等特点的柔性可穿戴压力传感器，是触觉型柔性电子器件现在以及将来一直会面临的挑战[11-12]。

在构筑基于纳米纤维的柔性压力传感器研究中，由于微/纳米结构可以提高传感器的灵敏度与快速响应能力，构建微/纳米结构已经成为提升柔性压力传感器综合性能的有效手段[2]。总结发现，为了进一步优化柔性压力传感器的性能、拓展其应用领域，在构建基于纳米纤维、纱线或织物的柔性压力传感器时需要考虑到以下方面[4，13]：(1)优异的柔性和可拉伸性；(2)高的灵敏度和快的响应速度；(3)感知和区分信号。

综合上述因素构筑的柔性可穿戴压力传感器，实现了对柔性压力传感器的进一步优化，包括具有优异的力学性能以及广泛的应用潜力，比如柔性可穿戴压力传感技术促进了触敏类电子产品的发展，在新兴的人工智能应用上起到了重要的作用[2]，并广泛应用于移动医疗和远程医疗诊断方面，除了可以监测和评估脉搏、血压、血糖和心跳等体征[14-15]，还可以与医疗器械结合，让医生能够检查体内难以触及的内部组织的健康状况[16-17]。

2 静电纺纳米纤维

结合柔性可穿戴压力传感器的基本特点，目前的多数柔性传感器主要通过导电纳米材料与柔弹性基体结合的方式来获得[18-19]。在实际制备过程中，除了遵循柔性可穿戴压力传感器的感知信号、柔性、灵敏度这三个关键因素外，还需考虑生产的便捷性、高性价比和可大范围生产和应用的特点。传感器的制备方法除了以溶液处理为主的喷涂、滴铸、浸渍等[20-23]方法之外，还有喷墨打印、丝网印刷等新型技术[24-25]。然而，目前的这些制备方法一定程度上存在操作较为复杂、过程繁琐等缺点，制约了传感器规模化生产及其在多领域中的应用[4]。因此，探究便捷、高效的柔性可穿戴压力传感器的制备方法，成为满足规模化生产及多领域应用的必要条件。纳米纤维作为一种纤维材料，相比于薄膜状柔性基体材料等，其具有良好的柔性、透气性[4]，可以更好地满足可穿戴压力传感器对柔性及灵敏度的要求。目前，纳米纤维的制备有多种方法[8]，例如模板法、熔喷法、闪蒸法等，这一系列方法虽可实现纳米纤维的尺寸、形貌、结构的精确调控，但也存在耗能高、制备工艺复杂、纤维连续性较差、不易批量化生产等不足。而静电纺丝法由于具有操作简单、适用范围较广、纤维形貌结构易于调控等特点，被广泛应用于直径范围从几微米到几十纳米的纤维制备[26-28]，并且通过此法将纳米线、碳纳米管、聚合物纳米纤维、金属纳米粒子、石墨烯等掺杂整合到纳米纤维中，可以实现功能化改性，制成具有高导电性、高灵敏度的纳米纤维复合材料，在制备柔性可穿戴压力传感器方面体现出极大的优势。

2.1 静电纺丝法构筑纳米纤维

静电纺丝法是聚合物溶液或熔体在静电力的作用下克服其表面张力，被拉伸细化，在下落过程中固化，最终落于接收基底上形成纤维的过程。静电纺丝法是一种高效制备纳米纤维的通用技术[29]，其基本装置相当简单，主要部件包括高压静电电源、注射泵(推注装置)、喷丝头和接收基底。在静电纺丝过程中，通过给聚合物溶液或熔体上施加高压静电场，可制备获得直径范围为20～1000 nm的纳米纤维。针尖与溶液射流的界面称为基区，射流从针尖出来形成“泰勒锥”[30]，它的形状大小取决于液体的表面张力和电场力。值得注意的是，溶液在针尖处是高电场，形成高强度拉伸，称为直喷。在较高的电场下，射流的纤维直径减小，长度增大；当射流被拉伸成更小的直径时，溶剂快速蒸发，形成固体聚合物纳米纤维，纳米纤维聚集在收集器上，形成纳米纤维膜[31]。

利用静电纺丝技术制备的纳米纤维膜具有孔隙率髙、比表面积大、孔径小、结构易于调控等优点[32]。基于这些优势，静电纺纳米纤维膜被广泛应用于各个领域(图1)，如伤口敷料、过滤膜、传感器、电池隔膜等[33-34]。进一步研究发现，纳米纤维基柔性压力传感器可以显著改善现有的电子器件的某些缺点，如柔韧性差、稳定性低、灵敏度弱、响应时间长等，静电纺纳米纤维可以作为一种理想材料，将有希望在可穿戴电子器件、医疗保健、智能纺织品和人工智能等领域实现突破性的进展[4]。

图1 静电纺纳米纤维膜的应用领域[33-34]Fig.1 Application fields of electrospinning nanofiber membranes[33-34]

2.2 静电纺纳米纤维功能化

由于静电纺丝技术可纺的材料种类多样，纤维的结构可控，纳米纤维膜的髙孔隙率、大比表面积以及容易实现功能化修饰等优异的特性，通过静电纺丝法得到的纳米纤维膜成为智能可穿戴领域的理想材料，被广泛应用于柔性传感器、电子皮肤等制备[35-38]。根据其特点，在了解基于静电纺的柔性可穿戴压力传感器的应用研究之前，首先需要了解如何使静电纺纳米纤维通过功能化改性，达到柔性可穿戴压力传感器的高灵敏度等要求。实现静电纺纳米纤维功能化的方法主要有[4]：

(1) 通过静电纺丝法将可导电的聚合物制备成为导电纳米纤维[39-40]。此类聚合物有聚噻吩、聚吡咯等，这些材料具有优异的柔弹性和导电性，但拉伸性能较差[4]。对此，有研究者采用机械共混的方式改善其力学性能，如Gupta等[41]将聚氨酯原料与导电高分子机械共混，改善了材料的力学性能且提高了电导率。也有研究者将聚合物纳米纤维通过炭化处理，成为可导电的碳纳米纤维[42-43]，如Ghosh等[44]将聚吡咯等具有导电性的材料涂覆在炭化后的织物上，提高了电导率，并具有较高的灵敏度。

(2) 纳米线、碳纳米管、金属纳米粒子、氧化石墨烯、MXene等导电材料掺杂在聚合物溶液中，通过静电纺丝的方法制备成具有功能化的纳米纤维[45-46]。如Zhong等[47]通过银纳米线掺杂聚烯烃弹性体(POE)，制备了一种可伸缩的导电纳米纤维纱线；Levitt等[48]选择合适的分散液及与纺丝原液的比例，将分层的MXene薄片嵌入碳纳米纤维中，制得稳定且耐用的纤维毡。

(3) 通过浸渍、涂覆、电化学沉积等方法将纳米线、碳纳米管、金属纳米粒子、氧化石墨烯等包覆在不导电聚合物制备的静电纺纳米纤维表面，得到可导电的复合纳米纤维材料[49-51]。

(4) 通过研究开发其他材料(如水凝胶)与纳米纤维结合，得到功能化复合材料。如Kim等[52]通过静电纺丝法制备了一种新颖的透明PVA/BTCA/β-CD/葡萄糖氧化酶(GOx)水凝胶，结合具有高灵敏度检测葡萄糖的AuNPs平台，开发了一种灵活且可拉伸的纳米纤维膜的生物传感器。

3 基于静电纺的柔性可穿戴压力传感器的应用研究

对于柔性可穿戴压力传感器来说，其使用时通常与人体直接接触，敏锐地捕捉人体生理或运动产生的压力变化，因此对其穿戴的舒适性、透气性、质轻等方面就有着更高的要求，由纤维或纱线构成的、具有三维多孔网状结构的纺织品成为传感器设计的首选[4]。随着科学技术的发展，人类对电子器件的要求也越来越严苛，不仅要求其灵敏和准确，还要求其具有一定的柔韧性、可穿戴性和便于携带性[13]。其中，压力传感器是用来检测两个接触面之间表面作用力的电子器件[53]，作为新一代传感器的可穿戴压力传感器具有普通电子器件所不具备的高柔韧性，并且根据传感器粘贴在皮肤上或编织在服装中等不同使用方式，静电纺丝法制备的柔性可穿戴压力传感器分为纤维结构、纱线结构和织物结构，基于这三种结构类型的柔性可穿戴压力传感器与基于柔性薄膜结构等其他传感器相比，更易于与日常服装结合，也可以像人体皮肤一样很好地覆盖在三维曲线表面而得到更为广泛的探索、研究与应用[54]。

3.1 基于静电纺的柔性可穿戴压力传感器在人体健康监测领域应用

随着人工智能的发展，基于静电纺的柔性可穿戴传感器在人体健康监测方面的应用不断扩大。尤其是基于模仿人体皮肤的特点，能够感知外界刺激并做出响应的人工电子皮肤，是人工智能在人体健康监测领域应用的重要组成部分，受到越来越多研究者的关注。可拉伸性作为人造皮肤的重要属性，确保了电子皮肤可以均匀地覆盖在任意弯曲和运动的表面，如手臂的关节等，并能承受长期反复的机械变形，因此，高弹性和透气性是可穿戴电子皮肤研究中需要解决的重要问题[4]。

无创血糖监测领域由于存在测量准确性差、血糖相关性弱以及无法在睡眠期间检测而未被广泛地接受，因此，Chen等[55]将超薄的类似于皮肤的生物传感器与电化学双通道(ETC)集成在一起，得到具有极高的适应性、灵敏度以及能完全吸收并测量葡萄糖的电子皮肤，为临床级无创连续血糖监测开辟了新的前景(如图2(a)所示)。在此研究基础上，为了改善非侵入式可穿戴生物传感器的传感性能，有助于无创监测葡萄糖的临床研究，Kim等[52]制备了透明的PVA/BTCA/β-CD/葡萄糖氧化酶(GOx)静电纺水凝胶，并结合了基于金纳米粒子(AuNPs)的能够高灵敏度检测葡萄糖的平台，开发了一种灵活且可拉伸的生物传感器(图2(b))。除了血糖监测外，人工电子皮肤还可以应用于生物医用方面，给皮肤受损的患者带来希望，为生物皮肤类材料的研制做出贡献[56]，Wang等[57]将处理过的蚕丝与相应的活性材料集成以PDMS薄膜作为柔性基底的新型柔性皮肤压力传感器，该传感器制备简单、成本低廉、性能优异、可以实现工业化制备，有望为患者提供正常的感知能力。

图2 基于静电纺的柔性可穿戴压力传感器在人体健康监测领域应用(a)超薄类皮肤生物传感器多层示意图及在皮肤上的贴合状态[55]；(b)在电极上使用PVA/BTCA/β-CD/GOx/AuNPs纳米纤维水凝胶的贴片型葡萄糖传感器的示意图[52]；(c)，(d)电子皮肤的透气性、防水性的机理以及传感机制[58]；(e)基于银纳米颗粒的复合纱线传感器的照片和纱线横截面的SEM[59]；(f)核-壳PDMS离子凝胶/PVDF-HFP纳米纤维传感器作为脉搏检测器(Ⅰ)和纳米发电机(Ⅱ)的应用[60]；(g)炭化的PNY机织物的结构示意图[43]；(h)可穿戴动力纺织品纤维膜及其动力发电效果[61]Fig.2 Applications of electrospun flexible wearable pressure sensor in human health monitoring field(a)multi-layer schematic diagram of the ultra-thin skin biosensor and the fit state on the skin[55]；(b)schematic diagram of patch-type glucose sensor based on fiber hydrogel with PVA/BTCA/β-CD/GOx/AuNPs nanometers used on the electrodes[52]；(c)，(d)air permeability,water resistance and sensing mechanisms of electronic skin[58]；(e)photographs of the composite yarn sensor based on silver nanoparticles and SEM of the yarn cross section[59]；(f)application of core-shell PDMS ion gel/PVDF-HFP nanofiber sensor as pulse detector(Ⅰ) and nano generator(Ⅱ)[60]；(g)structure diagram of carbonized PNY woven fabric[43]；(h)wearable power textile fiber film and its power generation effect integrated into clothing[61]

图2(c)，(d)直观地展示了电子皮肤的防水和透湿过程及作为压力传感器的电子皮肤的传感机制，有利于理解其工作原理并在之后的研究中进一步改善[58]。Lee等[59]还通过将Ag纳米粒子嵌入具有复丝结构的纤维中制造了一种具有高度可拉伸性和灵敏度的纤维应变传感器(图2(e))。该传感器同时具有超高应变系数、极宽的应变感应范围以及超过10000次拉伸循环的高耐用性，并且可以集成到手套中控制机器人简单的手部运动或应用于监测大体积膨胀的人工膀胱，证明了其可以应用于电子纺织品、可穿戴电子产品和生物医学工程。还有Lin等[60]制备了一种具有更好的灵敏度、灵活性和耐用性的核-壳PDMS离子凝胶/PVDF-HFP纳米纤维传感器，与纯PVDF-HFP纳米纤维层相比，核-壳纳米纤维层感应电荷和电容的增强，使此传感器具有更大的功率密度，可以用作手腕的脉搏检测器，还可以瞬间点亮数百个发光二极管(LED)，如图2(f)所示。

不仅人工电子皮肤可应用于人体健康监测领域，还有具有柔性和可编织性的纱线、织物结构，如图2(g)中Yan等[43]通过静电纺丝制成的长丝加捻成纱线并上浆剂处理最后经过稳定和炭化得到基于聚丙烯腈纳米纤维纱线(PNY)，并用TPU和PNY的炭化织物制造了一种灵活的高灵敏度应变传感器。还有Qiu等[61]也通过将静电纺和电喷涂方法结合，构建了一种轻便、可持续和灵活的可穿戴动力纺织品(图2(h))。该纺织品不仅制造简单、成本低廉、可大规模生产，而且具有良好的透气性、优异的耐用性和可洗性，可以用作高度敏感的人类运动传感器，有望实现在医疗监视、健康监测、安全警告和智能控制等领域中的应用。

3.2 基于静电纺的柔性可穿戴压力传感器在人体运动跟踪领域应用

近年来，便携式可穿戴智能电子设备中的一类柔性可穿戴压力传感器，已经成为人体运动监测领域应用的研究热点，这种传感器通常兼具透气性好、舒适性高、质量轻、携带方便等特性[62-63]，可以分为基于静电纺的纤维、纱线和织物结构柔性可穿戴压力传感器，在应用时，纤维结构传感器主要作为电子皮肤监测人体关节等运动，而纱线织物结构传感器通常和日用纺织品结合在一起穿戴在皮肤表面监测外界刺激并做出响应。

纤维结构柔性压力传感器是通过静电纺丝技术将导电纳米材料与纤维进行复合而制备得到的，这种柔性纤维基器件不仅具有轻便且穿着舒适的性能优势，还具有良好的抑制裂纹扩展和高耐疲劳强度的结构优势[4]。静电纺纳米纤维大多数是绝缘性的[4]，需要将纳米金属粒子、MXene、碳纳米管、石墨烯等导电材料通过掺杂于纺丝前驱体溶液或涂覆在纤维表面的方法，进行功能化改性，实现纤维导电的目的。Li等[58]利用静电纺丝技术，开发了以疏水性聚偏二氟乙烯(PVDF)纳米纤维为传感层、高导电性碳纳米纤维为电极层、高弹性聚氨酯(PU)纳米纤维为基底层的全纤维结构电子皮肤，图3(a)是其结构和防水、透湿及可拉伸性能的表征示意图。此电子皮肤不仅具有高灵敏度、高弹性、高透气性和自供电性，而且在高变形下，仍然具有出色的传感性能和机械稳定性，因此在智能电子皮肤的应用方面具有很大的潜力。Huang等[64]展示了一种基于热塑性聚氨酯静电纺纤维膜(TPUEM)的碳纳米管(CNT)桥接的银纳米颗粒(AgNPs)应变传感器的制造方法，如图3(b)所示，图3(c)展示了根据此方法制备的应变传感器在拉伸-释放过程中的传感机制。受到拉伸后，原本随机排列和叠加的TPUEM/CNTs/AgNPs随着拉伸应变的增加排列得更好，作为连接相邻AgNPs的桥梁的CNTs之间的接触逐渐被破坏分开，完整导电桥的数量减少，电阻增加；解除拉伸后，大部分纤维再次随机排列，AgNPs之间的距离减小，部分滑动的CNTs恢复，使得大多数CNTs与AgNPs重新连接。这一过程表明了TPUEM/CNTs/AgNPs应变传感器的高拉伸性、出色机械耐久性和稳定性，同时，此传感器还具有大的应变范围和高的应变系数，可以用于人体微观和宏观运动检测，证明了高度可拉伸、导电且敏感的应变感应材料在柔性可穿戴设备中的应用潜力。此外，研究人员将同轴静电纺丝技术应用于柔性传感器的制备，如图3(d)所示，Lin等[60]在静电纺丝过程中加入交联剂，成功制备了以聚二甲基硅氧烷(PDMS)离子凝胶为芯材、PVDF-HFP为壳层的纳米纤维，并将此核壳结构的纳米纤维垫用来制造可以利用电容变化和摩擦效应来检测静态和动态压力的柔性可穿戴压力传感器。如图3(e)中所示，Zhang等[65]还通过组合温度传感器和应变传感器，以柔性和透明的丝纳米纤维衍生碳纤维膜(SilkCFM)作为活性材料，制造了一种多功能电子皮肤(E-skins)。这种以弹性PDMS为基材制备的丝基应变/压力传感器具有优异的传感性能，包括超高灵敏度、大传感范围、低检测限、高稳定性和耐用性，应变传感器应首先通过循环拉伸释放过程(90%应变)进行训练，诱导整个SilkCFM纳米纤维的断裂，在释放预应变后，断裂的纳米纤维可以相互重新连接形成导电路径，图3(f)为此应变传感器的工作机制。组合式温度-压力传感器不仅具有检测细微的压力刺激的能力，还具有检测和区分呼气、手指按压的卓越性能，使其有望应用于人机界面和软电子产品领域。

图3 纤维结构柔性压力传感器在人体运动领域应用(a)全纤维结构电子皮肤的组成及其防水透气性和拉伸至50%的传感性能[58]；(b)TPUEM/CNTs/AgNPs复合材料的制造过程[64]；(c)TPUEM/CNTs/AgNPs应变传感器在施加拉伸应变下的传感机制示意图[64]；(d)核壳型PDMS离子凝胶/PVDF-HFP纳米纤维的TEM图[60]；(e)组合式温度-压力电子皮肤传感器的结构[65]；(f)应变传感器的工作机制示意图[65]Fig.3 Applications of flexible pressure sensor with fiber structure in human motion field(a)composition of a full-fiber structure electronic skin and stretch up to 50% sensing performance[58]；(b)manufacturing process of TPUEM/CNTs/AgNPS composites[64]；(c)schematic diagram of the sensing mechanism of TPUEM/CNTs/AgNPs strain sensor under the application of tensile strain[64]；(d)TEM image of core-shell PDMS/PVDF-HFP nanofibers[60]；(e)construction of combined temperature-pressure electronic skin sensors[65]；(f)schematic illustration of the working mechanism of the strain sensor[65]

纱线结构柔性压力传感器具有柔性和可编织性，可以通过编织在电子设备中或直接与其他电子元件相连接成电路，监测人体的运动和检测外部环境的刺激变化，扩大了可穿戴设备的应用范围[4]。如图4(a)中所示，Cheng等[66]制备了一种高灵敏度的基于石墨烯的纤维，并将这种纤维改良为具有出色的可拉伸性的功能化复合纤维，具有更快的响应速度、更高的循环稳定性和耐久性，提高了其本来的应用性能。Ge等[67]以压阻橡胶和复合纤维为传感元件外壳、以银纳米纱线为芯电极，制备了一种可拉伸、高导电的电子织物传感器，如图4(b)，(c)所示。图4(d)显示了在压力、拉伸和弯曲的机械刺激下，传感器单元在交叉接触点处的形状变形，由于所有这些力都会改变两个银电极之间的接触面积和导电橡胶的厚度，因此纤维传感器单元具有多种传感特性，并且通过可拉伸传感纱线的同轴结构和纤维结构，该织物实现了高拉伸性和高灵敏度的多模式力学传感性能，可用于详细记录人体脉搏波的信息和人体运动情况，将会在生物医学假体和生理分析设备等可穿戴人工皮肤中具有应用潜力。基于上述研究，Chen等[68]用多层PU纤维、AgNWs和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯涂层制造了一种多功能电子织物，如图4(e)，(f)所示。该电子纺织物具有高的导电性、拉伸性、灵敏度以及良好的对多种应变和压力的检测性，因此，这种简单、易扩展的多功能电子纺织将会在人体运动的全方位检测和生物医疗保健等领域具有巨大的应用潜力。图4(g)中显示You等[46]通过在弹性线表面涂覆石墨烯(GO)掺杂的静电纺聚氨酯(PU)纳米纤维构建了一种高度敏感且可拉伸的纱线，由此制备的传感器实现了同时绘制和量化由法向压力、横向应变和弯曲引起的机械应力，并检测织物与非接触手指的接近度，在可穿戴电子设备和类人机器人中的具有潜在应用。除了将静电纺丝与电喷涂结合在一起，构建性能优异的纺织品结构外，科研工作者还研究了其他改善方法，如图4(h)中所示，Yang等[69]利用浸渍涂覆法将氧化石墨烯均匀地涂覆在涤纶织物上，然后在高温下还原为石墨烯，得到了一种具有强的应变传感性能的可穿戴的石墨烯织物传感器。这种传感器不仅具有广泛的应变范围，还具有良好的可洗涤性和稳定性，可直接用于服装上实时监测人体活动。图4(i)中Nan等[70]基于简单的静电纺丝技术和针织GCNF@ECYs(将GO掺杂的PAN@PPY纳米纤维纱线缠绕在弹性纱线上)的原位聚合，构建了一种类似织物的可拉伸、可穿戴电子皮肤，用于大范围监视由压力、应变和弯曲引起的机械力。

3.3 基于静电纺的柔性可穿戴压力传感器在可穿戴电源领域应用

随着多功能可穿戴电子设备的兴起，灵活、可持续和可穿戴电源也面临着巨大的挑战，Jiang等[71]通过优化材料选择和结构设计，制备了一种具有可拉伸性、耐洗性且超薄轻巧的摩擦电纳米发生器(SI-TENG)，如图5(a)中所示，它们可以贴附在人体上不受干扰地收集人体运动能量，并充当高灵敏度的自供电触觉传感器。具有良好柔软性和高比表面积的纳米纤维是可穿戴式摩擦电纳米发生器(TENG)的绝佳选择，但是其变形性和耐用性在与日常纺织品/衣服无缝结合方面仍然具有挑战，因此研究者对此方面进行了一定的研究和改善。图5(b)所示，Wang等[72]结合热塑性TPU的静电纺丝和银纳米线(AgNWs)的电喷涂，制造了由AgNWs与TPU纳米纤维网络均匀缠绕而成复合电极的可拉伸、耐洗且超薄的摩擦电纳米发生器(SI-TENG)，并且结合传感器的微观结构和灵敏度测试结果，作者提出了一个类似于图3(c)的理论模型，解释了纳米纤维膜的微观结构和AgNWs介电常数调整对灵敏度的协同作用，说明了在拉伸或挤压的过程中，随机分布的AgNWs之间的距离变化导致介电常数和电容发生变化，从而实现能量监测，可以应用于收集人体运动能量并充当高度敏感的自供电触觉传感器。随着科学技术的发展和生活水平的提高，智能可穿戴产品在市场上受到了广泛关注，“智能服饰”逐渐出现在人们的视野中，如图5(c)中所示，基于MXene的纤维和纱线制成的纺织品设备已经广泛应用于可编织的压力传感器和加热器中[48]。比如Li等[73]通过同时静电纺丝和电喷涂制备了一种可拉伸、透气和防水的纳米纤维膜(SEBS)，如图5(d)所示。通过图5(e)中不同手指运动下SNF-TENG的特征输出信号实验表明，该纳米纤维膜具有良好的可拉伸性和机械柔韧性，可以轻松地集成到可拉伸的纺织品上以制造TENG纺织品，有望在电源、智能雨衣、自供电电子皮肤和触觉交互界面的舒适可穿戴中的应用。

图5 基于静电纺的柔性可穿戴压力传感器在可穿戴电源领域应用(a)单电极超薄可拉伸SI-TENG的结构示意图及其应力-应变测试[71]；(b)基于纳米纤维膜结构的柔性压力传感器及其灵敏度测试[72]；(c)基于MXene的纤维和纱线制成的纺织品设备及其应用前景[48]；(d)可拉伸、透气和防水的纳米纤维膜结构[73]；(e)不同手指运动下SNF-TENG的特征输出信号[73]Fig.5 Applications of electrospinning flexible wearable pressure sensor in wearable power supply field(a)schematic diagram of the structure of a single-electrode ultra-thin stretchable SI-TENG and its stress-strain test[71]；(b)fabrication process and sensitivity test of flexible pressure sensors based on nanofiber membrane structure[72]；(c)textile equipment based on MXene fiber and yarn and its application prospect[48]；(d)stretchable, breathable and waterproof fibrous membrane structure[73]；(e)characteristic output signals of SNF-TENG under different finger motions[73]

3.4 其他领域应用

电子皮肤和智能服饰是直接接触人体的智能监测系统，用于监测人体的生理参数、运动情况等，可穿戴设备还可以应用在语音识别、环境监测等方面，在地毯中安装压力传感器，在发生意外情况的时候，例如老人或者孩子跌倒等情况，家人以及医护人员能够及时获取信息，防止事情更加严重[74]。Lee等[75]还通过静电纺丝法制备取向聚丙烯腈(PAN)纳米纤维，然后加捻成微纱，最后通过原子层沉积将SnO2涂覆到构成纱线的纳米纤维上得到SnO2纳米管微型纱线，如图6(a)所示，制备了具有稳定且可逆的气敏特性的纱线，可将其应用于氢气传感器领域，并且由于其操作方便、结构稳定，可以集成于多单元传感器。如图6(b)所示，Li等[58]制备的全纤维复合结构，其在大变形时也可以保持出色的传感性能和机械稳定性、高的气体渗透性以及自供电性，为实现智能电子皮肤奠定了基础。在此研究的基础上，Li等[76]通过以多壁型碳纳米管(MWNTs)水分散体系作为水浴来加捻PAN的方式，制备出表面覆有一层MWNTs的非共价涂层纳米纤维纱线，其力学性能比未经处理的纳米纤维纱线好，拉伸强度和拉伸模量分别提高了600%和690%，同时还具有优异的导电性能，该方法制备的柔性压力传感器可以应用于航空航天、军工科技等领域(图6(c))。

图6 基于静电纺的柔性可穿戴压力传感器在智能监测领域的应用(a)微型纱的形成及螺旋结构微型纱的SEM图[75]；(b)电子皮肤贴合在盘子、玻璃和弯曲的人手上受压时会在空间上映射不同的效果[58]；(c)表面覆有MWNTs非共价涂层的纳米纤维纱线的SEM图[76]Fig.6 Application of flexible wearable pressure sensor based on electrostatic spinning in intelligent monitoring field(a)formation of micro yarn and SEM image of spiral structure micro yarn[75]；(b)image of the electronic skin can be attached to the plate and glass, and different touch events will be mapped spatially when the hand is curved[58]；(c)SEM image of nanofiber yarn covered with a layer of MWNTs non-covalent coating[76]

4 结束语

柔性可穿戴压力传感器不仅能够快速且高效地感应其周围环境的微弱变化，还解决了传统压力传感器存在的柔韧性差、稳定性低、灵敏度弱、响应时间长等问题，在人体健康监测、人体运动跟踪、可穿戴电源、气体传感等领域得到了广泛的应用。同时，柔性电子皮肤、智能服饰、柔性显示器以及智能仿生机器人等将会逐渐由概念化变成现实化，且慢慢走向大众。但是，通过对静电纺纳米纤维在柔性可穿戴压力传感器方面的应用研究发现，柔性可穿戴压力传感器依旧存在着局限性，对于想要使用低成本制造高分辨率、高灵敏度、精确的响应性以及可以检测复杂的多种信号响应的传感器，仍然具有难度。未来，在该领域的研究中，通过向自然界学习，受生物启发，通过静电纺丝技术构筑具有多尺度微/纳米结构的纤维，提高柔性可穿戴压力传感器的压力/应变灵敏度；通过实现设备的优化改进和低成本原材料的选择，降低制造成本；通过先进材料组合和结构设计，构建不仅可以检测和识别弯曲、扭转、拉伸等力学刺激，还能够感应温湿等环境刺激的多模式力学传感器，实现更广泛的应用。在设计、开发和改善柔性基材的基础之上，还可以通过探究共混法、酶载法、原位合成法等设计实现导电材料与纳米纤维优良地整合在一起，并探索组装制备高性能基于静电纺的柔性压力传感器的方法，实现大规模批量化生产并扩大其应用范围，将是未来研究和开发高性能、多功能的柔性可穿戴压力传感器的挑战。