近日，湖南大学化学化工学院刘松教授团队在《Advanced Functional Materials》上发表了一项创新研究，他们开发出一种基于MXene和热致变色材料的双功能柔性传感器，能够通过电信号和视觉颜色变化同时、无干扰地检测压力与温度。这项技术解决了长期以来困扰多功能传感器的信号耦合问题，为实时、精准的健康监测提供了全新解决方案。

  柔性压力-温度双功能传感器在健康监测和人机交互领域具有广泛应用前景，然而其发展一直受限于信号之间的相互干扰。本研究通过一种新型异质传感架构，将压阻式MXene/纤维素纳米纤维/壳聚糖复合膜与热致变色PDMS层相结合，成功实现了压力与温度的解耦检测。该传感器不仅具备高灵敏度、快速响应和超低检测限，还能通过颜色变化直观反映温度变化，在脉搏波形监测、呼吸状态识别、甚至骨折愈合过程追踪等方面展现出巨大潜力。

01 研究背景：双功能传感器的挑战与机遇

  随着柔性电子技术的快速发展，模仿人类皮肤感知能力的多功能传感器成为研究热点。人类皮肤能够同时感知压力、温度、湿度等多种刺激，而现有的柔性传感器大多只能实现单一功能。开发能够同时检测多种信号的双功能传感器，尤其是压力-温度双功能传感器，对于健康监测、人机交互和软体机器人等领域具有重要意义。目前制备双功能传感器主要有两种策略：一种是集成独立的传感单元，分别测量压力和温度，但这种方法结构复杂、成本较高；另一种是使用单一传感器实现双重检测，但需要复杂的信号解耦设计。

  信号干扰是这两种策略面临的核心挑战——温度变化会影响压力信号，反之亦然。为解决这一问题，研究团队从变色龙皮肤中获得灵感，将视觉传感机制与电学传感机制相结合，提出了一种异质传感架构，使压力与温度信号能够通过不同物理输出（电流& 颜色）同时获取，从根本上避免了信号干扰。

02 创新设计：异质传感架构的实现

  研究团队的设计核心在于将两种不同的传感机制集成在单一器件中（图1）。压力传感层采用MXene/纤维素纳米纤维/壳聚糖复合膜，基于压阻效应工作。当受到压力时，膜内导电通路增加，电流相应增大；压力释放后，膜恢复原状，电流减小，从而实现压力检测。温度传感层则由热致变色颗粒与PDMS混合制成，其颜色会随温度变化而发生可逆改变。当温度升高时，薄膜从红色变为黄色最终变为绿色；温度降低时，颜色逆向变化。

图1：压力-温度双功能传感器的结构及传感原理

  这种设计的巧妙之处在于：压力通过电信号检测，温度通过视觉信号检测，两种信号物理上完全独立，从根本上消除了相互干扰。

03 材料创新：MXene复合膜的优化与强化

  MXene作为一种新兴的二维材料，具有高导电性和亲水性，但其机械性能较差，易开裂剥落。研究团队通过引入纤维素纳米纤维和壳聚糖，显著改善了MXene的机械性能。材料间的协同作用是关键突破点：纤维素纳米纤维作为一维材料，能够促进二维MXene纳米片的平面取向，形成“砖-砂浆”结构；而壳聚糖则通过氢键和静电作用，进一步增强界面相互作用。

  实验结果显示，最优配比的MCC复合膜（MXene:CNF:CS= 50:50:1 wt%）拉伸强度达到42.38 MPa，是纯MXene膜的4.35倍；韧性达到1.61 MJ m?3，是纯MXene膜的10.73倍。同时，复合膜的电导率保持361 S cm?1，且在空气中放置10天后，电导率下降幅度小于纯MXene膜，显示出更好的抗氧化稳定性。

04 卓越性能：灵敏度与稳定性的完美平衡

  在压力传感方面，MCC薄膜表现出色：灵敏度高达35.7 kPa?1（0-2.4 kPa范围内），响应时间仅0.25秒，恢复时间0.2秒，检测极限低至6.5 Pa。这意味着它能够检测到微小的压力变化，如脉搏跳动、面部肌肉微动等。更令人印象深刻的是其卓越的稳定性：在5 kPa压力下进行8000秒（约4400次）压缩-释放循环测试后，电流信号仍保持稳定，无明显波动或衰减。

  温度传感方面，140微米厚、PDMS与热致变色颗粒质量比3:1的薄膜表现出最佳性能。当温度从25°C升至60°C时，薄膜颜色从红色经黄色变为绿色，其中绿色分量变化最为显著，达到室温下的8.67倍。

05 实际应用：从医疗监测到人机交互

  研究团队通过一系列实验展示了该传感器的广泛应用前景。在医疗监测方面，传感器能够准确检测腕部脉搏波形（图2），单个脉搏周期中可清晰识别冲击波、潮波和舒张波三个特征波形，为心血管疾病诊断提供了潜在工具。在骨折愈合监测这一创新应用中，研究人员将传感器固定在小鼠骨折部位，通过检测小鼠运动时产生的电流信号变化，成功追踪了骨折愈合过程。结果显示，电流变化值与愈合周数呈高度线性关系（R2 = 0.98），与Micro-CT成像结果一致，为骨折愈合提供了一种无创、便携的监测方法。在呼吸监测方面，将传感器置于口罩内，可在吸气时显示红色（约22.3°C），呼气时变为黄绿色（约28.4-30.3°C），同时电流信号也随呼吸变化，能够检测到持续时间不同的屏气周期，在睡眠呼吸暂停综合征识别方面具有潜力。在人机交互领域，研究团队还制备了2×2传感器阵列，能够同时检测压力和温度的空间分布。当手指按压时，接触区域颜色从红变绿，且不同区域呈现不同的电流响应，展示了在智能假肢和可穿戴皮肤电子设备中的应用前景。

图2：传感器在脉搏检测、表情识别和骨折愈合监测中的应用

  这项研究通过巧妙的异质传感设计，成功解决了双功能传感器中的信号干扰难题。MXene-热致变色混合薄膜不仅制备简单、结构紧凑，而且具备优异的传感性能和广泛的应用潜力。展望未来，研究团队计划开发可生物降解或自愈合版本用于植入式设备，集成无线传输模块实现连续健康监测，并通过临床验证推动其在睡眠障碍诊断和骨科康复等领域的实际应用。这项技术有望加速多功能传感器从实验室创新向个性化医疗解决方案的转化，为下一代可穿戴电子设备奠定坚实基础。

  论文标题： MXene‐Thermochromic Hybrid Films for Interference‐Free Dual‐Mode Sensing in Wearable Healthcare

  原文链接： https://doi.org/10.1002/adfm.202522165