郑州大学代坤/周康康Adv Fiber Mater——仿生中空多孔传感纤维:高效隔热发电,灵敏感知手势!

随着人机交互与人工智能的发展，智能传感器成为连接人体运动与数字信息的重要媒介。纤维基应变传感器凭借柔韧、可拉伸、适体及可编织等优势，在下一代可穿戴设备中备受关注。然而，如何在单根纤维中兼顾高性能应变传感、自供电、热舒适与人机交互，仍是多功能可穿戴传感器面临的关键挑战。

近期，郑州大学代坤教授、周康康副研究员在Advanced Fiber Materials上发表了题为“A Bioinspired Multilevel Porous Fiber-based Wearable Sensor with Integrated Thermal Management, Energy Harvesting and Assisted Sign Language Recognition”的研究成果。该研究受北极熊毛发中空多孔结构启发，采用连续湿法纺丝制备了多级中空多孔热塑性聚氨酯（TPU）纤维，并通过炭黑（CB）构筑可拉伸导电网络，实现热管理、能量收集与应变传感集成。基于其构筑的摩擦电纳米发电机与应变传感器可实现机械能收集、人体运动监测及辅助手语识别，为智能可穿戴电子与人机交互提供了新思路。

如图1所示，受北极熊毛发中空多孔结构启发，研究团队采用简易、连续的单轴湿法纺丝工艺，以TPU溶液为原料，利用凝固浴中的溶剂/非溶剂双向扩散效应，并结合冷冻干燥过程，构筑了具有多级中空多孔结构的仿生纤维。随后，通过超声处理在纤维内部引入CB导电网络，制备出可拉伸的中空多孔炭黑/热塑性聚氨酯导电复合纤维（HPCTCF），用于热管理、能量收集和应变传感等多功能应用。

图1 仿生多级多孔纤维的制备与表征

图2展示了纺丝液浓度和挤出速率对TPU纤维孔结构的调控作用。通过优化工艺参数，可获得中空直径适宜、微孔致密均匀的多级孔结构。由该纤维编织而成的织物表现出优异的隔热性能，在80 ℃和120 ℃环境下，隔热温差分别稳定维持在31.8 ℃和57.4 ℃，可有效阻隔外界空气与人体皮肤界面的热传导，在可穿戴保温与隔热领域具有应用前景。

图2 纤维形貌及隔热能力表征

随后，研究团队系统评估了HPCTCF的应变传感性能。如图3所示，该纤维传感器表现出低检测限（0.01%应变）、宽检测范围（高达628%应变）、高灵敏度（GF最高达90874）、快速响应/恢复性能（150 ms）和良好的循环稳定性。与已报道的纤维基应变传感器相比，HPCTCF兼具超宽传感范围与超高灵敏度，为大幅度人体运动监测提供了材料基础。

图3 应变传感性能

如图4所示，研究团队以HPCTCF作为芯层可拉伸电极，在其表面包覆Ecoflex硅橡胶负极摩擦材料，并与聚酰胺66（PA66）正极摩擦材料匹配，构筑了核/壳结构单电极摩擦电纳米发电机（HPCTCF-TENG），用于将机械能转化为电能。结果表明，HPCTCF-TENG的输出电压随接触压力和频率升高而增大，最高输出电压达45 V，最大输出功率密度达5.78 μW/m；经整流处理后，可驱动电子手表、LED等小型电子器件。

图4 HPCTCF-TENG的原理与输出性能

基于HPCTCF的纤维传感器可贴附于人体关节部位，实时感知弯曲、拉伸等运动信号，实现人体运动状态监测。图5展示了HPCTCF在人机交互中的应用：将其与机械臂系统集成后，可通过监测手指运动信号，实时控制机械臂复现手势并抓取不同物体。此外，该装置还可采集多类手语动作对应的电阻响应信号，并结合K近邻（KNN）机器学习算法进行分类识别，识别准确率达98.6%，显示出其在智能手语交互和可穿戴人机界面中的应用潜力。

图5人机交互中的应用

综上所述，该研究受北极熊毛发结构启发，制备了一种具有多级中空多孔结构的可穿戴TPU纤维，实现了热管理、能量收集与应变传感的集成。该多功能纤维通过仿生结构设计和导电网络构筑，同步提升了隔热性能、传感性能与能量采集能力，为新一代智能可穿戴电子、人机交互系统和智能纺织品的开发提供了新的材料平台。

代坤，郑州大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，主要研究方向为高分子导电复合材料形态结构调控与应用与聚合物成型加工-结构-性能关系，发表SCI论文200余篇，总引用19000余次，h指数73。入选国家级青年人才计划、中原青年拔尖人才、河南省教育厅学术技术带头人，荣获河南省自然科学二等奖、河南省教育厅科技成果一等奖等。

周康康‌，郑州大学材料科学与工程学院副研究员，主要研究方向为导电高分子复合材料结构-性能研究与柔性可穿戴光电材料与器件，发表SCI论文50余篇，总引用4000余次，h指数35。荣获河南省自然科学二等奖、河南省高等学校优秀科技成果一等奖等。

Zhenya Ge, Suya Hu, Jie Yang, Kangkang Zhou*,Yajie Zhang, WeiZhai, Kun Dai*, Chuntai Liu & Changyu Shen. A Bioinspired Multilevel Porous Fiber-Based Wearable Sensor with Integrated Thermal Management, Energy Harvesting, and Assisted Sign Language Recognition. Adv. Fiber Mater., 2026. 

https://doi.org/10.1007/s42765-026-00718-x