纤维传感器面临功能单一和易受应变干扰等挑战。本文基于“岛-桥”结构设计了一种温度、湿度、应变多功能传感纤维（THS），通过调控凝胶含水量构建一体化结构。该纤维集成于软体抓手，实现物体识别及水下作业；编织入衣物可构建健康预警系统，展现了在智能穿戴与健康监测领域的应用潜力。

  近期，济南大学王鹏/河北工大王海行/济南大学阚皞/山大李阳联合在Advanced Functional Materials上发表了题为“Stress-Tunable Multi-Functional Sensing Gel Fiber via Water-Controlled Design for High Stability” 的研究成果。本研究提出一种多功能温度、湿度与应变纤维传感器（THS）。通过调控凝胶含水量构建“岛-桥”分区结构，实现局部应变不敏感的温度-湿度传感与应变传感功能。基于该传感器开发出具备物体识别与环境监测能力的智能软体抓手，并构建了用于监测呼吸频率、体表温度与湿度的健康风险预警系统。

  THS纤维集成了温敏纤维、湿敏纤维及应变纤维。温湿度传感器位于高模量“岛”区，拉伸时几乎不变形；应变传感器位于低模量“桥”区，承担全部形变。基于此“岛-桥”设计，THS纤维在保持高柔性的同时，赋予温湿度传感单元的局部应变隔离能力。THS纤维与气动软指结合构建智能抓取系统；织入衣物构建健康风险预警系统。（图1）。

图1 THS纤维传感器的设计灵感与结构示意图。(a) 受植物茎秆“节-节间”结构启发，在纤维传感器上构建“岛-桥”结构的示意图。(b) 凝胶基体在紫外照射下的聚合过程。(c) 干燥纤维、湿润纤维及干湿复合纤维的应力-应变与模量对比。(d) THS纤维示意图，展示其“岛-桥”结构特征、多功能性与柔韧性。(e)智能软体抓手与智能服装的应用概念图。

  基于干湿凝胶分区制备“岛-桥”结构。干纤维失水变硬形成高模量“岛”区，湿纤维保持柔韧形成“桥”区，从而构建一体式应变梯度结构。相较于全湿纤维的均匀形变，“岛-桥”纤维在拉伸时呈现差异化变形。COMSOL模拟进一步证实，在100%拉伸下普通纤维均匀变形，而“岛-桥”纤维的“岛”区应变分布显著低于周边。基于“岛”区的局部应变不敏感特性，将其用于温湿度传感单元构建，有效避免了整体纤维变形对传感性能的干扰。（图2）。

图2 THS纤维“岛-桥”结构的制备策略及其应变不敏感特性。(a) 具有“岛-桥”结构纤维的制备示意图。(b) 普通纤维与“岛-桥”纤维的内部网络结构及100%应变下的拉伸状态。 (c)普通纤维与“岛-桥”纤维COMSOL模拟对比。 (d) 普通纤维与“岛-桥”纤维的温度与湿度传感器抗应变干扰能力对比。

  基于“桥”区构建的应变传感纤维。通过在水凝胶纤维中引入Gly和EG，有效解决了传统水凝胶易失水导致的性能退化问题。应变传感基于离子迁移通道随拉伸变窄、路径延长的机制，电阻变化与应变呈三阶段线性关系，对应应变范围0-100%、100-220%和220-360%的应变因子分别为2.35、7.92和4.92。传感器响应与恢复时间均约350毫秒，无显著迟滞现象，最小检测限为1%应变，并在循环拉伸中表现出优异的重复性与稳定性。（图3）。

图3 THS纤维应变传感单元的保水机理与传感特性。(a) 水分保持机制示意图。(b) 湿润纤维随甘油与乙二醇含量变化的FTIR光谱分析。(c) 水-甘油-乙二醇配比为6:3:3时湿润纤维的拉曼光谱成像。(d) 湿润纤维在室温下十天的重量损失曲线。(e) 添加甘油与乙二醇后湿润纤维的应力-应变曲线。(f) 应变传感机理图。(g) 应变传感纤维的灵敏度与(h) 响应/恢复时间。(i) 应变纤维传感器在连续拉伸-释放过程中的响应曲线。(j) 应变纤维的检测极限。 (k) 与已报道研究的性能对比。

  基于“岛”区构建的温度和湿度传感纤维。温度传感纤维以PEDOT:PSS为基质，通过掺杂高导热MXene纳米材料获得高温度灵敏度（3.92 ℃^-1）。该传感器对冷热水响应迅速，可分辨1.5 ℃的体表温差。湿度传感纤维基于MXene表面官能团与水分子的氢键作用及LiCl电离协同机制。该传感器在循环湿度测试中表现出优异稳定性，并可集成于口罩实现呼吸频率实时监测（20次/分钟）。（图4）。

图4 THS纤维的温度与湿度传感性能。(a) 温敏纤维的传感机理图。(b) 不同MXene/PEDOT:PSS配比下的温度灵敏度。(c) 对冷热水的瞬时响应特性。(d) 不同温度下的相对电阻变化。(e) 运动前后体表温度变化的监测。(f) 湿敏纤维的传感机理图。(g) 显示两个线性区段的湿度灵敏度。(h) 15次湿度循环（25–85% RH）下的循环稳定性。(i) 不同湿度下的相对电阻变化。(j) 基于纤维集成口罩的呼吸频率监测。

  通过将THS纤维与软体抓手结合开发了智能软体抓取系统。该纤维集成了温度、湿度与应变传感单元，通过嵌入式设计直接与气动软指结合。应变传感器实时监测手指弯曲角度，温湿度传感器实现抓取过程中的多模态感知。系统通过一维卷积神经网络（1D-CNN）对15个应变传感器信号进行训练，在抓取快递盒、苹果、薄纸板及螺栓等不同物体时，能根据各传感器电阻变化特征实现97.25%的识别准确率。此外，该智能软体抓手具备水下作业能力，实现了水下抓取过程中水温监测、水面接近检测与抓取状态跟踪的同步进行。该系统展现了在复杂环境下集成物体识别与环境感知的综合能力。（图5）。

图5 智能软体抓手在物体识别与环境监测中的应用。(a) 智能软体抓手及单根软体手指的结构示意图。(b) 软体手指顶部、左下侧与右下侧的纤维沟槽结构。(c) 不同气压下软体手指弯曲角度示意图。(d) 气压与弯曲角度的关系曲线。(e) 相对电阻变化与弯曲角度的对应关系。(f) 抓取快递盒、苹果、纸板与螺栓时20个传感器的相对电阻变化。(g) 一维卷积神经网络结构框架图。(h) 神经网络训练过程中损失函数、训练精度与测试精度的实时变化曲线。(i) 物体识别分类结果的混淆矩阵。(j) 软体抓手在不同水温中抓取螺栓时20个传感器的相对电阻变化。

  通过将THS纤维与服装结合，开发了一套人体运动状态识别与健康风险监测系统。将THS纤维编织于服装腹部位置，可基于呼吸时腹部的周期性起伏监测呼吸频率；同时实时检测运动引起的体表温度与湿度变化。实验数据显示，在睡眠、静坐、行走、跑步四种状态下，监测到的呼吸频率、体温及体表湿度变化均符合人体正常生理范围，证实了测量的准确性。系统通过融合温度、湿度与应变三种信号，将运动状态识别准确率提升至97.75%，展现出在智能穿戴等领域的应用潜力。（图6）。

图6 智能服装的应用。(a) THS纤维与服装集成的监测系统示意图。(b) 人体不同运动状态下THS纤维信号变化：i)应变信号，ii)温度信号，iii)湿度信号。(c–e) 人体不同运动状态下呼吸频率、体温及体表湿度的正常范围。(f) 运动状态识别结果及潜在健康风险预警。

  总结：本研究提出了一种能同步感知温度、湿度与应变的多功能纤维传感器（THS）。结构设计上受植物“节-节间结构”与传统“岛-桥结构”启发，通过干湿凝胶构建同质基体的“岛”区与“桥”区，避免了异质材料的界面兼容性问题。相比无“岛-桥”结构的纤维传感器，该设计在形变中展现出多功能集成、应变隔离增强及优异耐久性与稳定性等优势。集成THS纤维的智能软体抓手可在抓取过程中识别物体类型，并在水下作业时同步实时监测环境温湿度。通过将THS纤维集成于服装，系统能有效识别人体运动状态，并在信号异常时通过健康风险预警系统及时发出警报，充分展现了该THS纤维在环境感知与人体健康监测领域的应用潜力。

作者介绍

王鹏：济南大学机械工程学院教师，硕士生导师，校聘青年英才岗，研究方向为柔性传感器。主持中国博士后基金1项，山东省青年基金1项，技术开发项目2项。累计以第一作者/共同一作/通讯作者发表论文43篇 (包括24篇中科院一区Top期刊，4篇ESI前1%高被引文章），包括Advanced Functional Materials、Nano Micro Letters、InfoMat、Advanced Fiber Materials等高水平期刊；累计撰写、申请发明专利19项，其中9项已授权；担任Exploration期刊青年编委；中国微米纳米学会高级会员；担任国际SCI检索期刊Advanced Functional Materials、Nano Micro Letters、Nano Energy、Chemical Engineering Journal等的审稿人；获得天津市创新奖学金1次（2022年），天津市王克昌文化科技奖学金1次，博士研究生国家奖学金2次（2021年与2022年）；河北省优秀研究生毕业生1次（2023年）；多次参加学术会议并做分会场报告。个人主页：

https://faculty.ujn.edu.cn/wangpeng1/zh_CN/index/149227/list.

王海行，工学博士，讲师，硕士生导师。河北工业大学机械工程学院“健康护理机器人”团队成员，隶属于智能康复装置与检测技术教育部工程研究中心。主持河北省自然科学基金青年项目1项，以第一/通讯作者发表SCI/EI学术论文10余篇。

阚皞：济南大学信息科学与工程学院，硕士生导师。主要研究领域：低维半导体敏感材料和功能器件，“传感存算一体化”芯片系统。已累计发表SCI检索论文40余篇，其中以第一作者/通讯作者发表SCI论文20余篇。

李阳：山东大学集成电路学院教授，博士生导师，IEEE高级会员，科技部中韩青年科学家、山东省泰山学者青年专家、山东省高校集成电路创新团队带头人、山东省优青、山东省青年科技人才托举工程入选者、齐鲁青年学者，主持国家自然科学基金项目、科技部项目、山东省优秀青年基金项目、山东省重点研发计划项目等省部级以上项目10余项。主要研究领域：新一代半导体材料与器件；“传感存算一体化”芯片系统。已累计发表SCI检索论文100余篇，其中以第一作者/通讯作者在Chem. Soc. Rev.、Matter、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、IEEE Trans. Electron, Dev. 等领域内顶尖期刊上发表中科院一区文章45篇，包含封面文章10篇，授权国家发明专利15项，韩国发明专利11项。

  原文信息

  Advanced Functional Materials, 2026; 0:e30007.

  https://doi.org/10.1002/adfm.202530007