仿生黑科技!南昌航空大学团队研发 MXene 柔性传感器,破解可穿戴传感 “灵敏度 - 量程” 瓶颈
在智能穿戴、电子皮肤与健康监测快速发展的今天，柔性压力传感器已成为连接物理世界与数字信号的核心器件。然而，传统柔性器件长期面临高灵敏与宽量程难以兼顾、响应滞后、循环稳定性不足等难题，成为制约其落地应用的关键卡点。近日，南昌航空大学江西省光电子信息感知与仪器重点实验室张月、刘斌教授课题组团队在《Sensors & Actuators: A. Physical》发表重要成果，提出材料 - 结构 - 电极一体化协同设计策略，成功制备出具有荷叶仿生乳突微结构的 MXene/MWCNT/PDMS 柔性压阻传感器，在高灵敏度、宽检测范围、快响应速度与长期稳定性上实现全面突破，为可穿戴健康监测与智能人机交互提供了全新技术方案。研究背景
传统硅基压阻传感器虽精度优异，但质地坚硬、易碎裂，无法贴合人体曲面与动态形变场景，难以满足可穿戴、电子皮肤、康复医疗等新兴需求。柔性电阻式传感器因结构简单、信号易采集、静态检测性能突出，成为业界主流研究方向。其通常以 PDMS 等柔性聚合物为基底，复合碳纳米管、石墨烯、MXene 等导电纳米材料构建传感网络，在外力作用下通过导电通路变化实现电阻信号输出。机理不清晰：多组分复合体系在拉伸、弯曲、压缩下的形变 - 电阻演化规律缺乏系统阐释，器件性能难以精准调控。性能 trade-off：多数器件要么 “高灵敏、窄量程”，要么 “宽量程、低灵敏”，难以在全量程保持稳定优异表现。设计碎片化：材料、微结构、电极往往单独优化，缺少一体化协同设计框架，难以实现性能最大化。与此同时，柔性传感对制备工艺提出更高要求：微结构复制精度、导电油墨分散均匀性、电极图案化质量，直接决定器件灵敏度、线性度与一致性。如何以高效、稳定、可放大的工艺支撑高性能柔性器件制备，成为学术研究与产业转化的共同焦点。在此背景下，南昌航空大学团队受天然荷叶表面分级乳突结构启发，将二维 MXene 与一维多壁碳纳米管（MWCNT）优势结合，搭配喷墨打印叉指电极，构建出兼具高灵敏与宽量程的仿生柔性传感器，为上述难题提供系统性解决方案。研究内容
本研究以 “材料复合 + 仿生微结构 + 喷墨打印电极” 三位一体 为核心思路，从材料制备、结构仿生、工艺实现到性能测试开展全链条研究，最终实现传感器性能的跨越式提升。1. 材料体系：MXene/MWCNT/PDMS 多维导电网络构建
团队采用溶液共混法制备导电油墨，固定 MWCNT 与 PDMS 质量比为 5%，并引入 2% MXene（Ti₃C₂Tₓ）作为增强相。- 二维 MXene 提供高比表面积与金属导电性，在应变下可发生层间滑动，提升初始灵敏度；
- 一维 MWCNT 充当导电桥接通路，维持网络连续性，保证器件可拉伸性；
- PDMS 作为柔性基底，赋予器件优异拉伸、弯曲与贴合能力。
实验表明，该复合材料在拉伸 70%仍保持稳定线性响应，拉伸灵敏度 GF 达9.408，弯曲灵敏度达1.396×10⁻² (°⁻¹)，远优于单一 MWCNT/PDMS 体系。2. 结构仿生：荷叶乳突微结构强化应力集中效应
团队以天然荷叶为模板，通过环氧树脂反向复制，制备出具有均匀乳突微结构（直径 5–20 μm，高度 3–10 μm）的传感薄膜。- 微凸起在压力下产生局部应力集中，显著放大接触面积变化；
3. 工艺实现：喷墨打印叉指电极，提升器件一致性与性能
团队采用喷墨打印技术在 PET 基底上制备银纳米叉指电极，实现电极图案高精度、高效率制备。叉指电极可优化电场分布，降低界面接触电阻，进一步提升传感器线性度与响应速度。最终制备的lotus-e MW/MX 传感器实现关键性能突破：- 灵敏度：0–5 kPa 低压段达0.15 kPa⁻¹；
- 响应速度：响应时间 165 ms，恢复时间 284 ms；
- 稳定性：2000 次拉伸 / 弯曲 / 压力循环后，信号漂移 < 11%，保持优异可靠性。
4. 应用验证：人体运动与生理信号实时监测 该传感器成功实现多场景实时监测：
- 喉部：吞咽、语音识别（“Hello”“MXene”）；
- 关节：手指、手腕、肘部、膝盖弯曲，区分行走 / 跑步；
结果证明，器件在可穿戴健康监测、电子皮肤、人机交互领域具备极高实用价值。图文导读
图1传感器的制备流程、测试系统、结构及应用。(a) 荷叶型 MW/MX 传感器的制备过程（包括乳突模具与荷叶型 MX/MW 薄膜的制备过程，以及封装过程）。(b) 拉伸与弯曲测试系统。(c) 压力测试系统。(d) 传感器在人体信号监测中的应用。图2柔性传感器表征：(a) 平面 MW 薄膜 45° 倾斜 SEM 图像，标尺：20 µm。(b) MWCNT 粉末、MXene 粉末、MWCNT/PDMS薄膜及MXene/MWCNT/PDMS 薄膜的XRD 图谱。(c)–(e) 荷叶 45° 倾斜 SEM 图像，标尺依次为 20 µm、5 µm、2 µm。(f)–(h) 荷叶型 MW/MX 薄膜 45° 倾斜 SEM 图像，标尺依次为 20 µm、5 µm、2 µm。图3平面 MW、荷叶型 MW 及荷叶型 MW/MX 薄膜的拉伸传感性能。(a) 三种导电薄膜在不同拉伸应变下的线性响应。(b) 不同拉伸应变（10%–70%）下的循环响应。(c) 0–40% 应变范围内不同频率下的循环响应。(d) 传感器在 0–50% 应变下 2000 次拉伸–释放循环测试。插图为：实验初始与末期的应变响应信号。图4平面 MW、荷叶型 MW 及荷叶型 MW/MX 薄膜的弯曲传感性能。(a) 三种导电薄膜在不同弯曲角度下的线性响应。(b) 不同弯曲角度下的循环响应。(c) 0–30° 弯曲范围内不同频率下的循环响应。(d) 传感器在 0–30° 弯曲下 2000 次弯曲–释放循环测试。插图：实验初始与末期的弯曲响应信号。图 5 平面型 MW、荷叶型 MW 及荷叶型 MW/MX 传感器的压力传感性能。(a) 三种传感器在 0～150 kPa 压力范围内的电阻变化响应。(b) 荷叶型 MW/MX 传感器在 0～150 kPa 压力范围内的电阻变化响应。(c) 不同压力下的循环响应。(d) 0～100 kPa 压力范围内不同频率下的循环响应。(e) 荷叶型 MW/MX 传感器在 10 kPa 压力下的响应时间与恢复时间。插图：10 kPa 压力下的响应时间及卸压后的恢复时间。(f) 传感器在 0～50 kPa 压力下 2000 次加压–卸载循环测试。插图：实验初始与末期的压力响应信号。图 6 荷叶型 MW 与荷叶型 MW/MX 薄膜的传感机理。(a) 拉伸过程中荷叶型 MW 与荷叶型 MW/MX 薄膜的导电通路分布。(b) 弯曲过程中荷叶型 MW 与荷叶型 MW/MX 薄膜的导电通路分布。图7 荷叶型MW/MX传感器在受压状态下的传感机理。图 8 基于荷叶型 MW/MX 传感器的人体运动与语音信号实时监测。(a) 人体喉部吞咽信号监测。(b) 传感器对不同发音单词的响应。(c) 荷叶型 MW/MX 传感器检测不同速度下手臂弯曲的相对电阻响应。(d) 荷叶型 MW/MX 传感器测量行走与跑步时膝关节的相对电阻响应。(e) 传感器监测脸颊运动时的响应信号。(f) 人体低头动作监测。(g) 传感器对手腕平放与弯曲状态的监测。(h) 将柔性传感器安装在鼠标左键上，实时检测鼠标单击与双击动作。(i) 传感器监测手指不同角度的弯曲与恢复，以及这两种状态的监测。展望未来
本项成果由南昌航空大学江西省光电子信息感知与仪器重点实验室完成，是张月、刘斌教授团队在柔性传感领域的又一重要突破。研究以仿生思想为引领，以一体化协同设计为核心，成功破解柔性压阻传感器 “灵敏度 - 量程” 长期矛盾，为可穿戴电子、电子皮肤与健康监测提供了高性能器件方案。未来，柔性传感器还将朝着高集成、低功耗、规模化、生物兼容方向持续发展：- 多功能集成：实现压力、应变、湿度、温度多模态传感一体化；
- 规模化制备：从实验室小样品转向卷对卷、大面积、高一致性制造；
- 场景深化：深度应用于康复医疗、运动监测、人机交互、智能假肢、车载传感等领域；
- 系统协同：与柔性电路、无线传输、AI 算法结合，构建完整智能感知系统。
在本研究的材料分散、薄膜制备、微结构表征与器件封装等关键环节，幂方科技提供了重要的装备与技术支撑，保障实验高效、稳定、高精度开展：1.MF‑DB300 多功能柔性电子打印机用于喷墨打印银叉指电极，原文表述：Silver fork electrodes are printed using the MF‑DB300 multi‑functional flexible electronic printer (Shanghai Mifang Electronic Technology Co., Ltd.)。2. MF‑FT2000 柔性电子测试仪用于拉伸 / 弯曲性能测试，原文表述：Tensile and bending properties were measured with a flexible electronic tester (THE FT2000 Shanghai Mifang Electronic Technology)。幂方科技以专业的柔性电子装备与工艺解决方案，为高校前沿科研提供稳定可靠的技术底座，推动基础研究成果更快向产业转化。手机号丨13482436393
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