一、研究背景

随着物联网 (IoT)、工业 4.0、大数据、人工智能 (AI)、机器人技术和数字健康等领域的快速发展，人们对随时随地进行高精度传感的需求与日俱增。应变传感器可以将各种类型的变形转化为电信号的变化，从而检测物理状态的动态特性，受到了许多学者的广泛关注。然而，由金属、陶瓷和半导体等刚性材料制成的传统应变传感器面临着固有的性能限制，如缺乏灵活性和延展性，难以满足日益增长的需求。如图 1 所示，柔性应变传感器因其柔韧性、伸展性、透气性、高灵敏度和强稳定性等优良特性，已在智能电子设备、人机交互、运动性能监测和柔性机器人等多个领域得到研究和应用。柔性应变传感器可以修剪成不同的尺寸，甚至折叠成不同的形状，以满足各种复杂多变的应用需求，这大大拓宽了其应用领域。

图1.静电纺柔性应变传感器及其在智能电子皮肤、人机交互、运动表现监测、运动检测和柔性机器人等方面的潜在应用。威利版权所有2023

柔性应变传感器的性能主要取决于柔性聚合物基体的机械性能和导电填料的电气性能。常用的柔性聚合物基体材料包括热塑性聚氨酯（TPU）、聚酰亚胺（PI）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚砜（PES）、聚碳酸酯（PC）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、水凝胶和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。其中，热塑性聚氨酯表现出卓越的综合性能。它不仅具有出色的耐磨性，比天然橡胶的耐磨性高出五倍（远远优于 PI），而且还具有高透明度--与通常不透明或半透明的 PEEK 相反。热塑性聚氨酯的柔韧性和机械弹性超过了聚醚砜，其经济效益优于水凝胶，但成本更低。在稳定性方面，热塑性聚氨酯的耐化学性优于 PET，热稳定性和低温环境适应性也优于 PC。此外，热塑性聚氨酯易于加工并可回收，因此比 PEN 更环保。

这些综合优势使热塑性聚氨酯成为实际应用中用于柔性应变传感器最广泛的柔性聚合物基材之一。然而，纯热塑性聚氨酯本质上是一种非导电材料，不能直接用于制造传感元件 [25]。电纺丝技术可将热塑性聚氨酯纳米纤维与各种导电填料进一步加工，使复合热塑性聚氨酯纳米纤维具有高导电性，从而制备出高性能柔性应变传感器。

目前，研究人员已经探索了碳材料（如碳黑、碳纳米管和石墨烯）、金属纳米材料（如纳米颗粒、纳米棒和纳米线）和导电聚合物（如 PPy 和 PANI）的应用。他们通过将这些材料与电纺热塑性聚氨酯纳米纤维基材相结合，制备出了许多性能优异的柔性应变传感器。然而，目前还缺乏对这些最新研究成果进行系统、全面总结和展望的综述性论文。

例如，Backes 等人探讨了热塑性聚氨酯的合成、制造技术、共混物、复合材料和应用，但并未关注最先进的电纺技术制备的热塑性聚氨酯及其在柔性传感器中的应用。Chen 等人介绍了基于导电填料和热塑性聚氨酯的柔性应变传感器的研究进展，但没有分析最有成果的电纺热塑性聚氨酯柔性应变传感器，而且他们的综述发表于三年前，影响了其新颖性和时效性。在这篇综述中，第 1 部分对应变传感器的工作原理和电纺技术进行了总体介绍，重点介绍了电纺热塑性聚氨酯应变传感器的突出特点。第 2 节总结了用于电纺热塑性聚氨酯柔性应变传感器的各种导电填料的最新研究进展，重点介绍了碳质材料、MXene、金属材料和导电聚合物。第 3 部分全面讨论了电纺热塑性聚氨酯柔性应变传感器的各种传感应用，包括运动检测、健康监测、面部表情和语音识别、电子皮肤以及多功能电纺热塑性聚氨酯传感器。最后，提出了电纺热塑性聚氨酯柔性应变传感器的未来研究趋势和挑战。这篇综述全面系统地总结了基于电纺 TPU 的柔性应变传感器的最新研究进展，弥补了该领域的空白，并对未来的研究趋势和挑战进行了展望。

二、摘要

近年来，热塑性聚氨酯（TPU）因其显著的机械柔韧性和通过电纺丝结合各种导电材料的便利性，被广泛用作柔性应变传感器的基底材料。通过电纺丝将热塑性聚氨酯与各种导电材料相结合，制备出延展性更好、灵敏度更高、传感范围更广的柔性应变传感器，这方面的研究取得了许多进展。然而，目前还缺乏对该领域最新研究进展进行系统、全面总结和展望的综述。在这篇综述论文中，首先介绍了应变传感器和电纺丝技术的工作原理。随后，跟踪并讨论了基于电纺热塑性聚氨酯的应变传感器的最新进展，重点是各种导电填料的加入，如碳质材料、MXene、金属材料和导电聚合物。此外，还深入讨论了电纺热塑性聚氨酯柔性应变传感器的广泛应用。最后，指出了电纺热塑性聚氨酯柔性应变传感器在各个领域的未来前景和挑战。

三、结论

近年来，柔性应变传感器在运动监测、健康检测、人机交互等领域的应用日益广泛，备受关注。利用电纺丝技术制备的 TPU 纳米纤维材料兼具纳米材料和纤维材料的优点，具有尺寸极细、比表面积大、孔隙率高、结构可控、可通过掺杂进行功能修饰等优良特性，非常适合作为基底材料与各种导电填料结合制备柔性应变传感器。因此，有必要对基于这种特殊基底材料的柔性应变传感器进行综述。本综述介绍并讨论了电纺热塑性聚氨酯柔性应变传感器的最新进展，重点总结了引入各种导电填料（包括碳质材料、MXene、金属材料和导电聚合物）的策略。

(1)当我们站在柔性应变传感器领域变革时代的悬崖边时，未来蕴含着大量机遇和挑战。提高材料性能是当前研究的核心，科学家们正努力使导电填料在材料微观结构中的分布更加均匀。探索新型复合材料和纳米材料（如碳纳米管、石墨烯和金属纳米颗粒）有望显著提高应变传感器的灵敏度、响应时间和耐用性。

(2) 将电纺热塑性聚氨酯柔性应变传感器与人工智能和物联网相结合是一条特别有前景的途径。人工智能算法可实现实时数据处理和分析，从而在工业环境中实现更精确的健康监测和预测性维护。物联网集成可促进无缝数据传输，这对于各种应用中的远程监测和控制系统至关重要。

(3) 制造技术的创新，如三维打印与电纺丝的融合，将彻底改变电纺丝热塑性聚氨酯柔性应变传感器的发展。这种混合方法可以制造出具有复杂几何形状和定制机械性能的传感器，以满足特定的应用要求。

总之，虽然电纺热塑性聚氨酯柔性应变传感器的未来大有可为，但它需要我们共同努力，克服材料开发、技术集成和实际应用等方面的复杂性。通过直面挑战和营造合作研究环境，我们可以释放这些传感器的全部潜力，开创智能响应技术的新时代，从而改善我们的生活和产业。

图2.(a) 电纺丝的基本设置。电纺聚合物纤维的不同形态：(b) 单轴排列，(c) 双轴取向，(d) 带状，(e) 多孔纤维，(f) 项链状，(g) 纳米网，(h) 空心，(i) 微管中的纳米线，以及 (j) 多通道管状。

 

图3.(a) TPU/MXene/TPU-BNNS 应变传感器整个制备过程示意图。