一、研究背景

随着人机交互和物联网的发展，可穿戴设备可以轻松、无创地收集生理数据信号，为健康监测提供充足的信息。传统传感器受限于刚性，适应性和信号传输能力较差，因此限制了其在新兴领域的发展。相比之下，柔性传感器能更好地与可移动部件或任意弯曲表面兼容，可持续实时检测生理和自然环境指标值。柔性传感器的基本传感部件大多采用特殊形状设计，将刚性导电无机材料与软基材相结合，在一定程度上具有一定的伸缩性。

理想的柔性传感器应具有出色的柔韧性、伸展性和灵敏度，能够检测大范围的应变，从而能够分辨人体运动。因此，传感器的特殊微/纳米结构，如微裂纹皱褶结构、蛇形结构、三维螺旋结构和纺织纳米纤维结构，可用于调节传感器的伸缩性、检测极限、灵敏度、再现性和响应时间。人们一直致力于制造基于纳米纤维的智能传感器，这种传感器与普通纺织品一样，同时具有传感和可穿戴特性。

据报道，热拉伸技术、模板合成和水热法可用于制造纳米纤维。相比之下，静电纺丝设备因其通用性强、操作简便、可灵活调节以生产连续和特定的纳米纤维而在大规模工业生产中显示出巨大潜力。在典型的电纺丝过程中，喷丝头处的聚合物溶液或熔融液滴会积累电荷并在电场中产生大量静电荷。随着电压的增加，当液滴的表面张力与电场力平衡时，椭圆形液滴将被拉伸形成泰勒锥。超过临界电压后，液滴最初会以直线喷射方式从喷嘴喷出。在溶剂蒸发和弯曲不稳定性的共同作用下，液滴会发生剧烈的晃动、弯曲、拉伸并逐渐分裂，最后凝固在收集器上形成纳米纤维（图 1）。由于生产设备简单可调、可纺材料种类繁多、工艺过程可控、纳米纤维结构可调，电纺丝技术可以高效地生产出满足不同要求的纤维类材料。电纺纳米纤维的形成受多种参数的影响，包括聚合物和溶液的性质、电纺条件以及周围的湿度和温度。可以通过控制实验参数或改进电纺装置来调整纳米纤维的物理/化学性质和形态。总之，可调电纺丝技术具有无限的可能性。

图1.典型的电纺丝装置示意图。

通过将活性传感材料与纳米纤维基底相结合，柔性传感器可以同时表现出高灵敏度和高渗透性。以往关于导电电纺纳米纤维导体的报道主要集中在碳基材料（如石墨烯、碳纳米管、碳块和碳纳米颗粒等）、金属基材料（如银纳米线、金属纳米颗粒和 MXene 等）。以导电聚合物为基础的材料（如聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩及其衍生物和离子水凝胶）可通过适当的交联方法或结构设计直接电纺丝加工成纳米纤维。

弹性体具有出色的拉伸性和加工性，是柔性传感器的理想基材。考虑到长期可穿戴设备对透气性的需求，开发基于弹性体纳米纤维的柔性传感器具有重要意义。然而，弹性体与导电填料之间的兼容性仍然是一项挑战。关键在于如何建立稳定的导电通路，并在高灵敏度和可拉伸性之间取得平衡。

本视角总结了电纺纳米纤维作为可穿戴设备拉伸传感器的最新进展。首先讨论了几种可增强导电性的电纺纳米纤维基材。然后，讨论了电纺纳米纤维的微观结构。在导电纳米纤维的基础上，提出了具有前景的应用，以满足可穿戴设备的需求（图 2）。

图2.导电电纺纳米纤维及其应用。

二、摘要

可穿戴设备在智能医疗、电子皮肤、人工智能机器人等领域备受关注。然而，基于刚性材料的传统传感器不受约束的自多层结构组装和致密基底在拉伸性和透气性方面的局限性限制了它们的应用。弹性纳米纤维的网络结构使其具有出色的透气性和拉伸性。通过引入金属纳米填料、本征导电聚合物、碳材料等方法构建导电通路，可以有效地利用弹性纳米纤维制备出可拉伸导体，在柔性传感器领域显示出巨大的潜力。本视角简要介绍了电纺法制备导电热塑性聚氨酯、尼龙和水凝胶纳米纤维的代表性方法，以及集成电子器件在生物信号检测中的应用。主要挑战在于如何统一纤维结构的可拉伸性和导电性。

三、结论

本视角讨论了电纺纳米纤维作为可穿戴设备柔性传感器的代表性进展。研究表明，静电纺丝设备电纺弹性纳米纤维（如热塑性聚氨酯和尼龙）是具有出色拉伸性的理想基材。通过构建连续的导电通道，它们可以用作令人满意的可拉伸传感器。含水量高的纳米纤维水凝胶具有出色的抗疲劳性，是长期可穿戴设备的理想材料。纳米纤维的微观结构多种多样，具有迷人的特性，可制成多功能导体。此外，结构设计也是提高灵敏度和选择性等传感特性的有效模式。导电电纺纳米纤维的分层结构、高比表面积和多孔性有利于气体扩散和载体固定，有利于生物传感器、应变/应力传感器和 TENG。电纺纳米纤维在未来的可穿戴设备中显示出巨大的潜力。

尽管基于电纺纳米纤维的柔性传感器取得了令人惊叹的进展，但在实际应用之前仍存在巨大的挑战和机遇。首先，信号的再现性和稳定性对于实际的长期监测至关重要。考虑到大多数基于弹性体纳米纤维的应变传感器，其固有的弹性粘弹行为和独特的能量耗散机制会导致循环机械拉伸加载时的应变滞后，不利于信号的再现和长期监测。导电填料与弹性基底之间的模量失配会影响复合材料的机电响应性能，从而导致信号不稳定。寻找一种简单、通用、可扩展的方法来制备低滞后的可拉伸应变传感器仍有待探索。对于基于纳米纤维的传感器而言，阐明弹性体的能量耗散机制具有重要意义。为了进一步拓宽可拉伸应变/应力传感器在医疗保健、人机界面和人工智能等领域的应用，应在深入研究非线性响应和信号重现性差等问题上多下功夫。

图3.a) 热塑性聚氨酯的分子结构。导电电纺热塑性聚氨酯纳米纤维的制造技术，包括 b) 原位聚合。c) 超声波处理。d) 浸涂。e) 自组装

图4.a) 由纳米纤维组成的皮质醇生物传感器。b) Janus 织物带和固定自行车活动中的原位汗液监测