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可穿戴设备的“贴身铠甲”：高分子薄膜的物理玄机

发布时间：2026-01-21

当智能手表精准监测心率、柔性手环贴合手腕追踪运动数据时，你可能没意识到，这些设备背后藏着一位“隐形功臣”——高分子薄膜。它薄如蝉翼，却兼具传感、适配、防护等多重本领，就像为可穿戴设备量身打造的“贴身铠甲”。今天，我们就来解锁这份“铠甲”的物理玄机，看看科学家们是如何用精妙技术让它赋能智慧穿戴的。

“铠甲”初现

高分子薄膜是怎么造出来的？

想要成为可穿戴设备的“贴身搭档”，高分子薄膜得满足轻薄、柔性、高性能的苛刻要求。科学家们用多种巧妙方法，让普通高分子摇身一变成为“铠甲材料”。

1. 多层叠加法：打造阻抗渐变的“适配高手”

人体皮肤的介电常数约为40，而空气仅为1，这种巨大差异会导致微波信号损耗，影响设备监测精度。为了解决这个问题，科学家们发明了多层流延涂覆法，制备出阻抗渐变的钛酸钡/聚酰亚胺（BaTiO₃/PI）复合薄膜。

制作时，先通过原位聚合法合成不同BaTiO₃含量的混合溶液，再按含量从低到高（0%、20%、40%、60%）逐层涂覆在基板上，最后经高温处理形成多层复合薄膜。这样一来，薄膜的介电常数能在2.5~34.0之间精准调控，完美衔接空气与皮肤的介电差异，让信号传播“畅通无阻”。

这种多层薄膜不仅实现了10cm×10cm的大面积制备，截面还能清晰看到各层的粒子分布，证明了介电梯度结构的成功构筑，如图1所示。从截面SEM照片中可直观观察到，BaTiO₃纳米粒子均匀分散在PI基体中，无明显团聚，为优异介电性能奠定了结构基础。

图1 具有介电梯度的多层BaTiO₃/PI复合薄膜的光学照片及其截面SEM照片

2. 薄膜复合术：造出多功能传感“神器”

针对温度、湿度、应变等多维度监测需求，科学家们开发了PEO/PEDOT:PSS@TPU复合薄膜。制作过程如同“层层赋能”：先通过溶液流延制备TPU弹性基底，再将PEO与PEDOT:PSS的混合溶液通过刮涂工艺覆盖在基底上，最后经等离子体处理增强附着力，形成一体化薄膜。

其中，PEO的作用是让PEDOT:PSS均匀分散，构建稳定的导电网络，而TPU基底则提供出色的柔性和拉伸性。整个过程无需复杂设备，却能让薄膜同时具备温度、湿度、应变三种传感能力，堪称“一箭三雕”。其制备流程的核心在于精准控制各层界面结合力，确保拉伸时不会出现分层，如图2所示。

图2从TPU基底制备到PEO/PEDOT:PSS混合液刮涂的完整步骤

3. 超薄剥离法：解锁表皮级“隐形铠甲”

想要让传感器完全贴合皮肤，甚至“无感佩戴”，就需要超轻薄的薄膜。科学家们采用“旋涂+水相剥离”组合技，制备出厚度仅3μm的P(VDF-TrFE)压电薄膜。

先将P(VDF-TrFE)溶液旋涂在玻璃基板上，经退火处理优化结晶性能后，利用材料的疏水性（水接触角约106°），让水在基板与薄膜间形成隔离层，轻松将完整的超薄薄膜剥离下来，如图3所示。这种方法解决了超薄薄膜易破损的难题，造出的薄膜模量仅0.43GPa，能完美贴合皮肤纹理，甚至可随皮肤褶皱同步变形。

图3 P(VDF-TrFE)压电薄膜的制备过程：(a)集成器件示意图 (b)薄膜实物图 (c)水接触角测试 (d)(e)水相剥离过程

4. 纳米网复合技术：兼顾透气与耐用

队将热塑性聚氨酯（TPU）纳米网与离子凝胶前驱体复合，经紫外光交联制备出超薄透气离子凝胶薄膜（UIF）。TPU纳米网不仅提供机械支撑，其多孔结构还让薄膜透气性提升30%以上，解决了传统薄膜贴肤不透气的问题，如图4所示。扫描电镜图像显示，经过乙醇浴退火的TPU纳米网形成卷曲结构，能有效耗散拉伸能量，让薄膜在1000次循环拉伸后仍保持稳定。

图4 TPU纳米网及UIF薄膜的微观结构：eTPU纳米网SEM图像，UIF截面形态，UIF贴附手指展示柔性

玄机解密

“铠甲”为何能精准传感？

高分子薄膜之所以能成为可穿戴设备的“核心感官”，全靠其独特的物理响应机制，不同薄膜各有“看家本领”。

1. 导电网络变形：感知微小应变

PEO/PEDOT:PSS@TPU薄膜的应变传感原理，类似一张“导电弹簧网”。PEDOT:PSS形成的导电网络分布在弹性TPU基底中，当薄膜被拉伸时，网络被拉长甚至轻微断裂，导致电阻发生变化；当拉伸恢复，网络重新连接，电阻回归原值。

通过优化PEO与PEDOT:PSS的比例（最佳比例1:1），薄膜的应变灵敏度（gauge factor）可达315.9，能精准捕捉0~80%的拉伸形变，且经过1000次循环拉伸后性能依旧稳定，如图5所示。无论是手指弯曲时的细微形变，还是膝盖活动时的大幅度拉伸，它都能通过电阻变化“感知”到，甚至可识别面部微笑、皱眉等微小表情。

图5 PEO/PEDOT:PSS@TPU传感器的机电性能：1000次循环耐久性测试

2. 极化响应：捕捉压力与脉搏

P(VDF-TrFE)薄膜是典型的压电材料，其分子链具有特殊的ferroelectric β构象，在压力作用下会发生极化，产生微弱电压信号。科学家通过130℃退火处理，让薄膜的结晶度大幅提升，压电系数达到11.67 pC/N，灵敏度高达4.56 mV/kPa。

这种特性让它能精准捕捉动脉脉搏的微小压力变化，甚至能区分不同针灸穴位的脉搏信号，如图6所示。将其贴在手腕上，行走时脉搏周期约0.85秒，跑步时缩短至0.65秒，数据精准度可与医用设备媲美；贴在“寸、关、尺”穴位时，还能监测到不同穴位脉搏波形的细微差异，为中医脉诊数字化提供可能。

图6 超薄压电薄膜的应用场景：行走和跑步时的动脉脉搏信号，寸、关、尺穴位的脉搏监测

3. 环境响应：感知温湿度变化

PEO/PEDOT:PSS@TPU薄膜还能同时“感知”温度和湿度。温度变化时，PEDOT:PSS的导电网络会因热胀冷缩发生结构调整，在30~48℃范围内温度灵敏度可达-2.25%/℃，且线性度极佳（R²>0.99）；湿度升高时，亲水的PSS链会吸收水分膨胀，破坏导电通路，导致电阻变化，纯PEDOT:PSS组分在80%相对湿度下的灵敏度高达1.91。

更神奇的是，它还能监测呼吸状态：当人体呼气时，湿度骤升会引发电阻的显著变化，甚至在高湿度下发生导电机制转变（从电子导电变为离子导电），让呼吸监测更精准，如图7所示。深呼吸时信号频率低、响应恢复时间长，快速呼吸时则频率高、周期短，可清晰区分不同呼吸模式。

图7 PEO/PEDOT:PSS@TPU传感器的湿度传感特性：呼吸测试中的电阻变化响应

4. 仿生微纤毛增强：提升触觉分辨率

为了让薄膜更灵敏地感知细微压力，科学家们还借鉴了自然界的微纤毛结构。例如，澳门大学团队研制的自粘性电子皮肤，在表面构建三维仿生微纤毛，模仿昆虫触角的触觉感知机制，能检测到低至1Pa的压力变化，如图8所示。这种微纤毛结构不仅提升了灵敏度，还通过激光固化PDMS粘合层，让电子皮肤能牢固贴附在皮肤表面，即使手腕剧烈弯曲也不会脱落，确保信号稳定传输。

图8 集成三维仿生微纤毛结构的自粘性电子皮肤：表面微纤毛SEM图像，弯曲时粘性与非粘性E-skin贴合对比

铠甲”进化

可拉伸薄膜的终极追求

随着可穿戴设备向“贴身化、一体化”发展，高分子薄膜也在向“可拉伸”进化。科学家们从两种思路出发，让薄膜既能“贴身”又能“抗造”。

1. 外在弹性设计：靠结构“扛住”拉伸

一种是“外在弹性”设计，比如褶皱结构，如图9所示：先将薄膜制备在预拉伸的弹性基底上，释放应力后形成褶皱，拉伸时褶皱展开，不会破坏薄膜结构。这种方法能让器件承受超过300%的拉伸应变，且性能稳定。例如，将有机光伏器件制备在预拉伸200%的弹性基底上，拉伸时褶皱展开，器件效率仅下降11%，远优于传统平整结构。

图9 基于褶皱结构的可拉伸器件制备过程：预拉伸-转移/沉积-释放-形成褶皱的流程，OPD器件从平整到褶皱的状态转变

另一种创新结构是“分子刷设计”，如TA/石墨烯@TPU分子刷柔性传感器，通过在TPU表面接枝石墨烯分子链，形成类似“弹簧”的结构，拉伸时分子链伸展，释放后回弹，能承受400%的超大应变，如图10所示。它不仅能监测手指、膝盖等大动作，还能识别英语单词发音时的声带振动，应用场景十分广泛。

图10 TA/石墨烯@TPU分子刷传感器的应变响应：手指弯曲监测信号

2.多功能集成：不止于传感

如今的高分子薄膜还在向“多功能化”发展。浙江理工大学团队开发的RCNM/ACEL纳米纤维膜，既具备被动辐射冷却功能（太阳反射率93%、红外发射率93.2%），又能实现交流电致发光，如图12所示。将其制成智能织物，夏季可通过辐射冷却降低体表温度2~3℃，同时还能显示心率、步数等信息，真正实现“一件衣物=降温装备+健康监测器”。

结语

从阻抗匹配到多维度传感，从超薄贴肤到拉伸耐用，再到集冷却、发光于一体的多功能集成，高分子薄膜用精妙的物理机制和制备工艺，成为可穿戴设备不可或缺的“贴身铠甲”。这些薄如蝉翼的材料，背后是科学家对分子结构、界面作用的深刻理解，更是物理原理与工程技术的完美融合。

未来，随着技术不断进步，或许我们会看到更薄、更软、功能更全的高分子薄膜——比如能自我修复的“智能铠甲”，或可降解的“环保铠甲”，让可穿戴设备真正“无感融入”生活。而这份“铠甲”的玄机，也将持续推动智慧穿戴技术向更精准、更舒适、更人性化的方向发展～

来源：高分子物理学