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  隨著呼吸系統(tǒng)疾病長期監(jiān)測與個性化診療需求的不斷增長，無創(chuàng)、動態(tài)監(jiān)測呼吸參數(shù)逐漸成為柔性可穿戴電子領域的重要研究方向。在動態(tài)呼吸過程的監(jiān)測中，通過捕捉呼出氣流的濕度與動力學特征，可以實現(xiàn)系統(tǒng)性的生理評估并對異常呼吸狀態(tài)進行監(jiān)控預警（圖1a-1b）。然而，現(xiàn)有柔性呼吸監(jiān)測裝置一般只能監(jiān)測單一濕度或應變（壓力）信號，難以對呼吸過程中的多源生理變量進行有效區(qū)分。此外，傳感材料在長期工作狀態(tài)下易受周期性氣流沖擊與濕度冷凝等外部環(huán)境影響，其結構穩(wěn)定性和長期響應可靠性亦面臨挑戰(zhàn)。

  針對這一問題，深圳技術大學的史濟東副教授等人開發(fā)了一種基于石墨烯-納米纖維素復合薄膜的應變/濕度雙模傳感器（圖1b）。由于石墨烯納米片在應變下的層片滑移以及納米纖維素的吸濕特性，這種復合薄膜具有優(yōu)異的應變傳感（0%-20%應變范圍內(nèi)GF=380，圖1c）和濕度傳感（5%-90%相對濕度范圍內(nèi) 0.58 RH^-1，圖1d）性能，以及獨特的濕度觸發(fā)自修復特性（圖1e）。

圖1. (a) 呼出氣體中水汽產(chǎn)生示意圖。(b) 呼吸過程中應變產(chǎn)生示意圖。(c) 傳感器（初始電阻：4.40kΩ）在施加1%至10%應變時的機電響應。(d) 不同初始薄膜電阻的石墨烯-納米纖維素傳感器的濕度傳感性能比較。(e) 石墨烯-納米纖維素薄膜中的3微米寬的裂紋（左）與在水滴浸泡5分鐘后（右）的形貌表征。

  基于傳感器對應變與濕度的雙模響應，在呼吸監(jiān)測中（圖2a），該裝置可同時獲取呼吸波形和呼出氣體的水合狀態(tài)，從而有助于進行人體的系統(tǒng)生理評估。此外，傳感器也可以檢測脈搏、關節(jié)運動等人體信號。另一方面，該裝置在環(huán)境檢測與智能交互設備的開發(fā)方面（圖2b）也顯示出優(yōu)異的性能。

圖2. (a) 傳感器應用于呼吸監(jiān)測（上）與表皮生理檢測（下）。(b) 傳感器對植物蒸騰作用的監(jiān)測（上）與非接觸智能交互（下）。

  本工作提出了一種兼具應變與濕度響應的柔性傳感體系，結合高靈敏度傳感性能與濕度誘導的自愈合功能，突破了傳統(tǒng)傳感器在信號解耦與長期穩(wěn)定性方面的技術瓶頸；通過材料創(chuàng)新與功能集成，實現(xiàn)了更加系統(tǒng)的呼吸監(jiān)測與廣泛的可穿戴人體檢測、環(huán)境監(jiān)測與人機交互功能，在智慧醫(yī)療與物聯(lián)網(wǎng)設備開發(fā)領域展現(xiàn)出廣泛的應用潛力。

  該工作以“Self-healable graphene-cellulose nanofibril composite with strain/humidity responsivity for wearable respiratory monitoring”發(fā)表于國際知名期刊《Carbon》。文章第一作者為深圳技術大學工程物理學院2024級研究生盧思祁，通訊作者為深圳技術大學工程物理學院的史濟東副教授。深圳技術大學工程物理學院為論文的第一單位。本工作也得到了國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金等項目的支持。華南理工大學輕工科學與工程學院的方志強副研究員，南方科技大學材料科學與工程系的趙玲玉副研究員，深圳技術大學工程物理學院的徐芳副教授對本工作也做出了貢獻。

  文章信息：Siqi Lu, Zhiqiang Fang, Mingxuan Lei, Shiyu Liu, Xingyi Li, Yizheng Liu, Lingyu Zhao, Zhaorui Liu, Fang Xu, Jidong Shi* Carbon 2025, 242, 120473.

  文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622325004890