摘要
柔性力学传感器以高拉伸性、可穿戴性和生物相容性等特点，在电子皮肤、智能机器人、医疗健康监测、语音识别等领域都展现了广阔的应用前景。然而,目前诸多柔性力学传感器仍存在着制备过程繁琐、可穿戴舒适性差和灵敏度低等问题，限制了其应用范围。静电纺丝技术是一种低成本、高效率和规模化的技术，其制备的微纳米纤维膜具有比表面积大、固有粗糙结构、分层多孔结构和固有孔隙率等显著特点，因而广受关注。结合静电纺丝技术，制备高灵敏、快速响应、宽量程和复杂信号检测的柔性力学传感器成为高分子材料功能化应用的研究热点之一。 本文以热塑性聚氨酯（TPU）为柔性高分子基体材料，采用静电纺丝法构筑具有微结构的柔性纳米纤维膜，并引入了功能性组分，以实现对机械刺激的电信号响应。主要对材料结构设计对柔性传感器性能的影响进行了详细研究，以提升传感器的灵敏度和响应稳定性。此外，本文将传感器与实际生活场景相结合，实现了在人体运动监测、健康监测和声音识别等上的应用。具体研究内容如下: （1）受蜘蛛狭缝器官与头足类动物皮肤变色的启发，构筑了“微裂纹结构屏蔽层”与“荧光基底层”相结合的双层结构，制备出了一种高灵敏、宽响应范围和光学可视化响应的应变传感器。有序TPU纳米纤维膜良好的拉伸性和柔韧性，赋予了传感器优异的可拉伸性和穿戴性。另外，由于纤维素纳米晶（CNC）的高粘附性和高模量性、MXene的高导电性以及有序TPU纤维膜的高拉伸和柔顺性等特点，实现了微裂纹结构的有效调控，使得该导电复合纳米纤维膜组装的传感器具有高灵敏度（476800）、宽响应范围（0-100％）、低检测限（0.005％）和良好的检测稳定性(＞2000次）。该传感器不仅可以在线监测人体的各项运动和声音信号，而且得益于微裂纹结构和荧光材料设计，可以应用于可视化康复训练监测，在医疗康复设备领域显示出良好的应用前景。 （2）为解决传感器能源供应和电池污染问题，利用模板辅助静电纺丝工艺在TPU纳米纤维膜表面构筑有序的“微驼峰阵列”，且这些微结构的尺寸与不锈钢网收集器的目数相关，从而获得一种高灵敏度，良好循环稳定性和可自供能的摩擦纳米发电机（TENG）。得益于微驼峰结构的设计，组装后的TENG的摩擦电性能优于平面结构，并表现出高灵敏度(15.94mVPa-1)、快速响应和恢复时间(76ms和58ms)、高功率密度(122mWm-2)以及在3000次循环中保持结构的卓越能力。一方面，可以作为自供电的触觉传感器应用于高精度手写识别、医疗保健监测和个人体育训练。另一方面，该传感器还可作为自供电声学传感器用于动物语音情感识别，包括生物识别、动物行为研究、动物园紧急报警和生物多样性保护等。
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