多模态柔性传感器是人机交互、可穿戴电子、智能机器人及个性化医疗等领域的核心器件，这类器件有望在单一系统中同步感知压力、应变、温度、湿度及生化等多类信号。然而，不同外界刺激往往会产生重叠的电输出信号，交叉灵敏度干扰始终是限制多模态传感系统实际应用的核心难题。因此，开发可独立识别目标刺激、无信号干扰的解耦传感策略，已成为多模态柔性传感器领域的重要研究方向。当前主流解耦策略均存在局限，比如多传感单元空间集成法制备工艺复杂、器件厚度与成本高、可扩展性差，近年来原电池型自供电水凝胶传感器兼具柔性与无外接电源优势，适配可穿戴场景，但多信号解耦性能仍有待突破。

  课题组此前报道了一种柔性自供能传感器，该传感器的组成为3D打印的水凝胶电解质层、3D打印的含Cu²⁺/Cu的水凝胶阳极层，以及含MnO₂的水凝胶阴极层，可实现健康监测、物体识别与非接触式手势识别（Adv. Funct. Mater. 2024, 34:2411172）。在此研究基础上，课题组进一步提出基于锌空电池结构的解耦传感新策略，开发出自供电可充电多模态柔性传感器（SRMS传感器）。器件通过阴、阳极完全相反的电流响应机制，在单一柔性体系中实现氧气浓度与温度的独立检测，能够应用于睡眠呼吸监测、无接触热成像、非接触信息输入等场景。

  该研究成果以“A Self-Powered and Rechargeable Multimodal Hydrogel Sensor with Decoupled Oxygen and Temperature Sensing”为题发表于Advanced Functional Materials（doi.org/10.1002/adfm.78074）。论文第一作者为宁波大学材化学院硕士生吴嘉敏，通讯作者为宁波大学翁更生教授。本研究得到了国家自然科学基金项目的资助。

图1 SRMS传感器的设计、应用与电化学性能

  如图1a所示，SRMS传感器采用“阴极-聚电解质-阳极”三层堆叠结构，整体构成可充电锌空电池体系：聚电解质层为聚丙烯酸钾/聚丙烯酰胺（KPA/AM）共聚水凝胶，兼具高离子导电性与优异力学性能；阴极采用四氧化三钴/石墨烯复合催化剂负载泡沫镍，专门负责氧气浓度传感；阳极为石墨薄膜表面电沉积金属锌，专门负责温度传感。

  该设计的核心创新在于信号解耦：阴极氧还原反应速率随氧气浓度升高而加快，对应电流负向变化；阳极锌氧化反应遵循阿伦尼乌斯规律，温度升高电流正向增大。两种信号方向相反、响应机制独立，避免了多刺激下的信号串扰。器件本身兼具传感与供电功能，无需外接电源且支持充放电循环，延长连续工作时间。电化学测试显示，传感器开路电压达1.35V，在2 mA/cm²电流密度下可稳定充放电超1200分钟。

图2 SRMS传感器的氧气传感

  如图2所示为SRMS传感器的氧气传感，基于阴极氧还原反应的浓度依赖性，传感器对氧气浓度变化响应时间约0.5秒，恢复时间约0.7秒；响应幅度仅由氧气浓度决定，不受气体体积、流速干扰；在0%~100%浓度区间呈倒S型响应规律，低浓度与高浓度区间灵敏度突出，可识别与空气浓度仅差1%的微弱变化，循环稳定性优异。

图3 SRMS传感器的温度传感

  如图3所示为SRMS传感器的温度传感，阳极侧可独立实现高灵敏度温度检测，不受氧气浓度波动干扰。在30~52℃范围内，相对电流变化与温度呈良好线性关系，灵敏度达22%/℃。不同于传统红外测温的光电转换机制，此传感器通过电化学效应放大微弱热辐射信号来实现检测。凭借无接触温度传感性能，搭建了12×10的传感器阵列，可实现二维热成像，清晰还原热源“马头”的轮廓；10个单独传感器组成的数字阵列键盘可通过手指靠近产生的热辐射引起的电流变化能够实现序列数字输入，为无接触人机交互提供了全新路径。

图4 SRMS传感器的呼吸监测

  最后，在呼吸监测场景中，如图4所示，通过调整传感器在呼吸面罩中的位置与朝向，可分别检测呼吸气中的氧气浓度与温度变化，清晰区分正常呼吸、呼吸暂停、呼吸急促、深呼吸四种典型状态。两类信号方向相反、互不干扰，可相互印证，大幅提升呼吸事件识别的准确性。在睡眠健康监测中，3600秒的睡眠模拟测试显示，传感器可准确识别呼吸努力相关微觉醒、低通气、呼吸暂停等紊乱事件，计算得到呼吸紊乱指数为8次/小时，对应轻度睡眠呼吸障碍，具备睡眠质量定量评估潜力。将传感器贴附于额头等部位，还可实时捕捉睡眠过程中的皮肤温度变化，变化规律与红外热像仪检测结果一致。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.78074