近年來，隨著重大疾病的流行與大眾健康觀念的提升，可穿戴健康監測逐漸興起。人體皮膚應變是可穿戴健康監測的一項重要指標，可全方位反映人體健康信息。但由于人體不同部位的皮膚變形幅度差異較大（兩個數量級），開發具有寬檢測范圍的廣域應變傳感器就變得尤為重要。

 

西安交通大學仿生工程與生物力學研究所（BEBC）的研究人員圍繞柔性器件力學結構設計的思路，受到蛇體表交錯重疊、可發生滑動以順應變形的鱗片啟發，開發了可延展的仿生疊覆鱗片結構。通常情況下，剛性材料在變形下的斷裂破壞是柔性器件開發中需要極力規避的問題，然而該鱗片結構卻“反其道而行”，通過變形下柔性基底上剛性薄膜的斷裂、重疊形成，利用相鄰疊覆鱗片之間的相對滑動順應外部變形，顯著降低剛性鱗片自身承受的應變，從而提升結構的可延展性（超過100%應變）。

 

研究人員以導電聚合物PEDOT:PSS為例，利用變形下PEDOT:PSS鱗片滑移產生的總體電阻變化，實現應變傳感，且傳感器檢測范圍及靈敏度可通過改變基底預拉伸幅度靈活調控，實現高靈敏度、寬范圍（1%~100%）應變傳感，相較于已有研究成果，應變傳感范圍顯著拓寬，進一步將傳感器貼附于人體表不同部位，實現了對于人體正常生理活動（如脈搏、發聲、吞咽、面部表情、肢體運動等）產生的不同幅度皮膚應變的有效傳感，展現了應用于可穿戴物理運動監測、心理狀態評估的潛力。

 

該研究成果以《面向可穿戴廣域應變傳感的仿生疊覆鱗片結構PEDOT:PSS》（Harnessing the wide-range strain sensitivity of bilayered PEDOT:PSS films for wearable health monitoring）為題發表于Cell姊妹刊物、國際材料領域頂刊Matter上。論文第一作者為BEBC劉灝特聘研究員，BEBC徐峰教授、香港大學張世銘助理教授以及美國加州大學洛杉磯分校Ali Khademhosseini教授為共同通訊作者，西安交通大學為論文第一單位和通訊單位。該研究成果是BEBC繼成功開發內嵌三維螺旋傳感結構（Small. 2018, 14, 1801711）、剛度空間調控水凝膠材料（Mater. Horiz. 2020, 7, 203-213）、室溫成型導電聚合物水凝膠材料（Adv. Mater. 2020, 32, 1904752）、環境適應型凝膠傳感器件（Small. 2021, 17, 2101151）之后，在軟物質力學、智能柔性傳感領域取得的又一重要進展。