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  柔性力學傳感器作為智能可穿戴電子設備的重要組成部分，在醫療保健、電子皮膚和人機交互等領域的廣泛應用而備受關注。截止目前，研究人員雖然在提升壓力和應變傳感器性能方面取得了一定的研究成果，但多數傳感器只能對單一類型的力學刺激（如應變或壓力）具有高靈敏度，如何通過發揮導電材料和設計結構的協同作用構建一種能夠兼具壓力和應變傳感，并具有高靈敏度，寬應變范圍和優異循環穩定性的柔性力學傳感器，依然面臨著挑戰。

  西安工程大學劉呈坤教授團隊聯合新加坡南洋理工大學Seeram Ramakrishna 團隊，依次通過自捻合、靜電噴涂、靜電紡絲、超聲浸漬與氧化還原的方法成功地制備了仿DNA雙螺旋褶皺結構AgNPs/MWCNTs-COOH/PDA/PU/PVB納米纖維包覆紗（DNA-like AMPPPNY）力學傳感器。該傳感器通過利用不同維度的導電材料以及特殊結構的引入，實現了柔性力學傳感器綜合性能的提升，可同時感知應變與壓力，在人體運動監測與智能醫療等領域具有良好的應用前景。

  研究團隊首先通過加捻彈力紗形成雙螺旋結構，預拉伸固定后靜電噴涂PVB粘合劑并紡絲包覆PU納米纖維膜，撤去預拉力后形成仿DNA雙螺旋褶皺結構。通過DA自聚合在納米纖維表面形成PDA，再依次負載MWCNTs-COOH和AgNPs導電材料構建導電網絡。最后用PDMS封裝固化，制備DNA-like AMPPPNY柔性力學傳感器。

圖1 DAN-like AMPPPNY力學傳感器制備流程

  圖2展示了DNA-like AMPPPNY的光學圖像及微觀形貌。通過對紗線預拉伸并電紡PU納米纖維膜，成功構建出仿DNA雙螺旋褶皺結構。激光共聚焦測試進一步表明纖維表面具有三維波峰-波谷形貌，褶皺振幅約為30 μm，波長約為160 μm。

圖2 仿DNA雙螺旋皺褶結構的表征

  圖3展示了DNA-like AMPPPNY的結構構建及性能提升。靜電紡PU納米纖維膜的高比表面積，便于功能材料負載；PDA自聚合增強了纖維表面與MWCNTs-COOH的界面結合力。在超聲作用下，MWCNTs-COOH均勻分布形成致密導電網絡，進一步負載AgNPs后，構建出穩定雙導電通路。PVB粘結劑增強芯層與包覆層結合，提升力學性能，應變范圍增加至310%。該結構纖維電阻率降低至0.0191 Ω·cm，可驅動點亮LED，展現出優異的綜合性能。

圖3 DNA-like AMPPPNY的結構構建及性能提升

  如圖4所示，DNA-like AMPPPNY力學傳感器靈敏度最佳，在應變范圍為0-200%時，GF為603，應變范圍為200%-310%時，GF為11977。高靈敏度歸因于AgNPs與MWCNTs-COOH構建的致密導電網絡。拉伸初期，褶皺側壁接觸與分離引發電阻變化；高應變下，微裂紋增多加劇電阻變化，提升靈敏度。傳感器響應/恢復時間分別為130/135 ms，表明該傳感器具備快速響應實時信號變化的優異性能。此外，在不同應變范圍以及10000次循環中其相對電阻變化規律基本一致，保證傳感器在實現應變檢測時具有優異的動態穩定性和耐久性。

圖4 DNA-like AMPPPNY傳感器的應變傳感性能

  如圖5所示，仿DNA雙螺旋褶皺結構可顯著降低柔性力學傳感器的遲滯性能。在10%和30%應變下，力學遲滯分別由33.4%降至23.2%和由37.5%降至27.5%，這是因為芯紗的扭轉彈力及褶皺納米纖維膜的彈性恢復作用，有助于紗線快速回彈。電學遲滯分別降低至17.9%和29.1%，主要由于預拉伸形成的褶皺結構提高了導電材料分布密度，抑制微裂紋產生與擴展。相比之下，平面結構缺乏有效恢復機制，且導電網絡破壞較嚴重，導致遲滯增大。

圖5 DNA-like AMPPPNY傳感器的電學與力學遲滯性

  如圖6所示，通過兩根傳感紗垂直交叉構建壓阻式傳感單元，在受壓時褶皺結構增大接觸面積，總電阻降低。相對電阻隨壓力變化呈兩階段線性關系，低壓（0–2 kPa）靈敏度達0.475 kPa^-1，高壓（2–10 kPa）降至0.047 kPa^-1。I–V曲線表現出良好線性和穩定的靜壓響應。此外，傳感器在多次加載-卸載（1–3 kPa）及1 kPa下持續10000次重復循環中，信號穩定，響應一致，表現出優異的可重復性與耐久性。

圖6 DNA-like AMPPPNY傳感器的壓力傳感性能

  為驗證DNA-like AMPPPNY傳感器在人體運動監測中的可行性，將其嵌織于織物并固定于志愿者不同部位進行動態監測（圖7）。結果表明，傳感器不僅能監測細微的運動，還可以監測大幅度運動，在人體運動監測方面展示出良好的應用潛力。

圖7 DNA-like AMPPPNY傳感器在運動監測中的應用

  該工作以“DNA-Like Double-Helix Wrinkled Flexible Fibrous Sensor with Excellent Mechanical Sensibility for Human Motion Monitoring”為題 發表在期刊Advanced Fiber Materials上（一區top，IF=17.2）。通訊作者為西安工程大學劉呈坤教授，共同通訊作者為新加坡南洋理工大學Seeram Ramakrishna 教授和西安工程大學張振方博士。該研究工作得到了國家自然科學基金項目和陜西省創新能力支持計劃等項目的支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s42765-025-00560-7