郑州大学代坤：仿生中空多孔传感纤维，高效隔热发电，灵敏感知手势！

随着人机交互与人工智能的发展，智能传感器成为连接人体运动与数字信息的重要媒介。纤维基应变传感器凭借柔韧、可拉伸、适体及可编织等优势，在下一代可穿戴设备中备受关注。然而，如何在单根纤维中兼顾高性能应变传感、自供电、热舒适与人机交互，仍是多功能可穿戴传感器面临的关键挑战。

该研究受北极熊毛发中空多孔结构启发，采用连续湿法纺丝制备了多级中空多孔热塑性聚氨酯（TPU）纤维，并通过炭黑（CB）构筑可拉伸导电网络，实现热管理、能量收集与应变传感集成。基于其构筑的摩擦电纳米发电机与应变传感器可实现机械能收集、人体运动监测及辅助手语识别，为智能可穿戴电子与人机交互提供了新思路。

如图1所示，受北极熊毛发中空多孔结构启发，研究团队采用简易、连续的单轴湿法纺丝工艺，以TPU溶液为原料，利用凝固浴中的溶剂/非溶剂双向扩散效应，并结合冷冻干燥过程，构筑了具有多级中空多孔结构的仿生纤维。随后，通过超声处理在纤维内部引入CB导电网络，制备出可拉伸的中空多孔炭黑/热塑性聚氨酯导电复合纤维（HPCTCF），用于热管理、能量收集和应变传感等多功能应用。

图1 仿生多级多孔纤维的制备与表征

图2展示了纺丝液浓度和挤出速率对TPU纤维孔结构的调控作用。通过优化工艺参数，可获得中空直径适宜、微孔致密均匀的多级孔结构。由该纤维编织而成的织物表现出优异的隔热性能，在80 ℃和120 ℃环境下，隔热温差分别稳定维持在31.8 ℃和57.4 ℃，可有效阻隔外界空气与人体皮肤界面的热传导，在可穿戴保温与隔热领域具有应用前景。

图2 纤维形貌及隔热能力表征

随后，研究团队系统评估了HPCTCF的应变传感性能。如图3所示，该纤维传感器表现出低检测限（0.01%应变）、宽检测范围（高达628%应变）、高灵敏度（GF最高达90874）、快速响应/恢复性能（150 ms）和良好的循环稳定性。与已报道的纤维基应变传感器相比，HPCTCF兼具超宽传感范围与超高灵敏度，为大幅度人体运动监测提供了材料基础。

图3 应变传感性能

如图4所示，研究团队以HPCTCF作为芯层可拉伸电极，在其表面包覆Ecoflex硅橡胶负极摩擦材料，并与聚酰胺66（PA66）正极摩擦材料匹配，构筑了核/壳结构单电极摩擦电纳米发电机（HPCTCF-TENG），用于将机械能转化为电能。结果表明，HPCTCF-TENG的输出电压随接触压力和频率升高而增大，最高输出电压达45 V，最大输出功率密度达5.78 μW/m；经整流处理后，可驱动电子手表、LED等小型电子器件。

图4 HPCTCF-TENG的原理与输出性能

基于HPCTCF的纤维传感器可贴附于人体关节部位，实时感知弯曲、拉伸等运动信号，实现人体运动状态监测。图5展示了HPCTCF在人机交互中的应用：将其与机械臂系统集成后，可通过监测手指运动信号，实时控制机械臂复现手势并抓取不同物体。此外，该装置还可采集多类手语动作对应的电阻响应信号，并结合K近邻（KNN）机器学习算法进行分类识别，识别准确率达98.6%，显示出其在智能手语交互和可穿戴人机界面中的应用潜力。

图5人机交互中的应用

综上所述，该研究受北极熊毛发结构启发，制备了一种具有多级中空多孔结构的可穿戴TPU纤维，实现了热管理、能量收集与应变传感的集成。该多功能纤维通过仿生结构设计和导电网络构筑，同步提升了隔热性能、传感性能与能量采集能力，为新一代智能可穿戴电子、人机交互系统和智能纺织品的开发提供了新的材料平台。