东北大学青勇权: 超疏水可穿戴应变传感器：从设计到高稳定范式

Haoyang Song, Yibo Liang, Guangying Zhang, Kaiqi Long, Ke Shi, Xinyu Han, Changsheng Liu, Yongquan Qing*

Nano-Micro Letters (2026)18: 392

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02220-w

本文亮点

1. 机理体系革新：突破现有研究单一失效分析局限，从化学、力学、界面润湿三重耦合维度系统剖析传感器复合型失效规律，搭建多因素协同失效理论体系。

2. 全新优化框架：首创失效机理导向的稳健性优化范式，确立接触角保留率、电阻漂移、循环稳定性等定量化评价指标，补齐行业统一设计与测试标准。

3. 落地应用导向：梳理材料-结构-功能一体化构筑方案，破解潮湿、水下、生物污染等场景应用痛点，指明环保低表面能原料、统一测试规范等前沿攻关方向，为新一代水陆两栖柔性传感器件提供完整理论依据与工程路线。

研究背景

可穿戴应变传感器作为生理信号与智能电子系统的关键桥梁，在人体健康监测、人机交互、特种环境探测领域应用迅猛发展。但常规器件极易受汗液、油污、酸碱腐蚀、高低温、紫外线、浸水等复杂环境侵扰，出现导电网络断裂、疏水失效、信号大幅漂移问题，难以走出实验室实现产业化落地。超疏水改性凭借荷叶效应构筑固-气复合界面，可隔绝水与污染物，成为提升器件环境耐受性的主流方案。

目前大量研究仅聚焦单一性能优化，大多孤立探究化学腐蚀/力学破损/润湿转变某一类失效，缺少三类失效耦合作用的系统梳理，尚无统一的稳健性评测规范，成为限制水陆两栖可穿戴传感器商业化的核心瓶颈。因此，亟需从全维度失效机理出发，凝练一体化设计思路与标准化评价体系。

内容简介

东北大学青勇权团队系统性综述超疏水可穿戴应变传感器前沿进展，从基底与导电原料选型、超疏水表面构筑、一体化制备工艺、多功能复合四大设计维度梳理现有制备策略；立足于化学侵蚀、力学损耗、润湿态突变三大失效短板，分类解析各类失效本源与针对性补强方案；剖析化学-力学-润湿多因素耦合连锁失效机制，建立成套量化测试准则与稳健性评价标准，最后总结现存痛点并指明未来发展路径。

在材料设计层面，系统归纳PDMS、Ecoflex、各类纺织基材以及金属、碳基、导电聚合物三大导电填料优缺点，对比喷涂、静电纺丝、激光刻蚀、原位聚合等成型工艺适用场景；在功能集成上，详述自清洁、水下传感、抗菌防生物附着三大实用化功能的构筑逻辑。在失效防控部分，逐一阐明酸碱盐/紫外/极端温致劣化、循环疲劳磨损、冰黏附/油污染/Cassie-Wenzel润湿转变的内在诱因，配套分层包覆、仿生多级结构、自修复体系、光热控冰等改良方案；打破单因子测试惯例，提出多工况耦合测试方案。

图文导读

I 引言

柔性可穿戴应变传感器是连接人体生理信号与数字系统的核心器件，但该类器件长期贴合人体使用，易受汗液离子、皮脂、微生物等生化因素干扰，叠加高湿、低温、腐蚀等复杂环境影响，极易出现信号漂移、导电网络损毁等问题。传统防护手段往往以牺牲传感灵敏度为代价，难以兼顾器件稳定性与核心性能。超疏水技术为破解这一困境提供了新思路，可在不损耗器件柔韧性的前提下，实现防水自清洁与传感信号增效。然而，超疏水可穿戴应变传感器仍存在显著短板，长期服役中会出现化学腐蚀、机械破损、润湿状态转变等多重耦合失效问题，严重制约其产业化落地。目前学界对器件多维度失效的耦合机制尚未形成系统认知，也缺乏一体化的稳定强化策略。如图1所示，系统汇总传感材料前端开发全流程，从基材选型、表面微结构设计到成型加工工艺。依托中心超疏水特性赋能多元化实用场景，研究自清洁、水下稳定传感和抑制微生物黏附的功能精准匹配人体出汗浸水、潜水穿戴、长期贴身佩戴等实际需求。基于此，以失效机制为核心，系统剖析器件各类失效模式及调控机理，梳理对应优化策略，为复杂极端环境下高稳定柔性传感器件的研发提供理论支撑与技术参考。

图1. 超疏水可穿戴应变传感器的设计制备、性能应用及鲁棒性示意图。

II 超疏水可穿戴应变传感器的策略性设计

2.1 物质要素：基材与导体

柔性可穿戴应变传感器的性能高度依赖基底材料，PDMS、Ecoflex、SEBS、天然橡胶、聚氨酯及水凝胶等弹性材料是当前主流基底，普遍具备高拉伸性、低模量、良好生物相容性与可微加工特性，适配可穿戴传感场景(图2)。其中，PDMS化学稳定性佳、成本低廉且表面能低，便于超疏水改性，常通过模板法、激光诱导、乳液共混等工艺制备，是超疏水应变传感器的优选基底，但存在与功能层附着力弱、复合加工工艺复杂且难以兼顾灵敏度与量产一致性的问题。SEBS耐紫外、弹性与加工性优异，可通过静电纺丝等工艺制备多孔透气传感基底，适配大应变检测，但其极端环境耐受性较差。Ecoflex具备抗菌特性、固化速度快，适配织物集成与个性化器件制备，动态传感性能优异，却易因热胀冷缩破坏导电网络。天然橡胶回弹性能好、性价比高，可实现超大应变检测与长期稳定服役，仅在湿热、腐蚀环境下易老化失效。聚氨酯及热塑性聚氨酯耐磨、化学稳定性突出，纺丝、涂覆等工艺适配规模化制备，唯一短板是高温环境下易丧失弹性与传感稳定性。水凝胶材料生物相容性、可降解性与粘附性极佳，可实现多维度生理信号检测，通过结构改性可实现疏水适配性，但普遍存在力学强度不足、界面结合薄弱、湿态导电稳定性差等问题。现阶段，各类基底材料与制备工艺各有优劣，虽已有大量改性与复合工艺研究，但行业仍缺乏统一的量产效率评估标准与批次稳定性评价体系，且各类材料在极端复杂环境下的服役短板仍未完全攻克，制约了高性能可穿戴传感器的产业化落地。

图2. 柔性基材材料的类型、特性及常见制备工艺。

纺织基底凭借优异的柔韧性、透气性与人体贴合性，是可穿戴应变传感器的核心柔性基材之一，适配人体长期穿戴监测场景，主要分为天然纤维与合成纤维两大类。天然纤维因弹性不足，难以直接用于传感器件制备，而聚酯、锦纶、氨纶等合成纤维凭借性价比高、力学性能优异、生物相容性良好等优势，成为纺织基传感器的主流选择(图3)。其中，聚酯耐腐蚀、抗形变、抗微生物老化，热稳定性与服役耐久性突出，可通过涂覆、浸渍、层压、摩擦纺丝等多种工艺制备传感织物，但其弹性较差，无法适配人体大变形运动监测需求。锦纶富含酰胺基团，具备高强度与快速弹性回复特性，可适配人体复杂运动形变，经纱线编织、静电纺丝等工艺加工后，可制备出高灵敏度、高线性度的传感器件，但其单一材料拉伸性能有限，需搭配高弹纤维复合使用。氨纶弹性优异，常通过浸渍、电沉积、包芯纺丝工艺制备柔性传感织物，可实现全身多维度运动与生理信号监测，但高弹性形变易破损导电层，加工过程中纤维溶胀也会削弱改性效果。弹性体与纺织基底虽性能相近、可替代使用，但各类基材特性差异显著，需匹配专属加工工艺与导电体系。当前纺织基传感器研究逐步突破传统单一压阻传感机制，朝着多场耦合、各向异性传感方向发展。通过引入磁流变材料、相变材料，结合共轭静电纺丝等先进技术，可实现器件刚度、灵敏度的可编程调控与主动热管理，构建稳定多维导电网络，为高精度、多功能、适配复杂人体运动的高性能可穿戴器件研发提供了新方向。

图3. 可穿戴应变传感器的纺织基材：材料选择、关键性能与可扩展加工路线。

导电材料是可穿戴应变传感器的核心功能单元，直接决定器件的灵敏度、响应速度、循环寿命与环境稳定性，其性能优化多依托纳米结构调控、渗流网络构建及材料复合策略实现，主流研究体系包含金属材料、碳同素体与导电聚合物三大类。其中，金属纳米材料凭借接近块体材料的超高导电性能，成为高灵敏度柔性传感器的优选材料，主要包括银纳米颗粒、银纳米线、铜纳米线及液态金属等。银纳米线兼具超高长径比、柔韧性与透光性，可通过喷涂、旋涂等简易工艺制备导电网络，经堆叠复合后可有效拓宽应变检测范围。如图4所示，相关研究通过湿法纺丝工艺制备银纳米复合弹性纤维，可在900%超大拉伸形变下保持稳定导电性，集成器件可实现手语识别等高精度传感应用。凭借金属网络优异的延展性，该类传感器可耐受数千次拉伸循环，同时通过结构设计、表面改性与快速烧结工艺，可进一步提升灵敏度、适配热敏基底加工需求。但金属纳米导电材料仍存在显著应用短板，银、铜基材料易在湿热环境中氧化，与柔性基底附着力弱、分散性差且制备成本较高；液态金属受力易泄漏，需复杂封装工艺，且材料密度大，会增加器件重量与刚性，大幅降低穿戴舒适度，制约其规模化应用。

图4. 金属纳米导体：变体、性能和可扩展加工。

相较于金属纳米材料，碳基导电材料具备更优异的界面附着力、抗氧化性与结构稳定性，更适配复杂穿戴场景，主要包括炭黑、碳纳米管、石墨烯及MXene等多维碳系材料，不同微观结构赋予其差异化传感性能(图5)。二维石墨烯导电性稳定、力学性能优异，可通过化学气相沉积、液相剥离、激光诱导等工艺制备，能够构筑稳定导电薄膜，可精准捕捉脉搏、肢体运动等信号，但存在易团聚、薄膜易破损、规模化高质制备成本高昂等问题。MXene兼具高金属导电性与丰富表面官能团，改性与加工难度低，可通过多种溶液工艺复合成传感器件，结合多维复合结构可兼顾高灵敏度与宽传感范围，但其长期服役易氧化、层状结构易开裂，量产环保成本较高。一维碳纳米管柔韧性与隧穿效应突出，适合构筑多孔、褶皱等特殊导电结构，传感响应快速、循环稳定性强，不过易团聚、基底结合性差，极端工况下信号稳定性不足。零维炭黑成本低廉，可构筑高效隧穿导电网络，大幅提升器件灵敏度，但导电性能有限、结构单一，难以实现多方向精准传感，且疏水功能改性难度较大。

图5. 碳基导电纳米材料：合成路线和结构。

导电聚合物是柔性可穿戴应变传感器的核心导电体系，以PEDOT、聚苯胺、聚吡咯为典型代表，经掺杂后可实现类金属导电性能，同时兼具高分子材料轻质、柔韧、易加工的独特优势，适配柔性传感器件规模化制备(图6)。其中，PEDOT:PSS综合性能最优，兼具离子-电子双重导电机制、优异生物相容性与化学稳定性，可通过溶液工艺适配各类柔性基底，制备的传感器滞后性低、信噪比高，适用于健康监测场景，但存在亲水性导致信号漂移、热稳定性差、基底附着力弱等缺陷。聚苯胺制备工艺简单、成本低廉，可通过掺杂调控导电性与微观结构，复合改性后能实现宽量程、高灵敏传感与耐水洗性能，但其本征脆性大、易开裂，导电性能极易受环境pH值影响，环境稳定性不足。聚吡咯生物安全性更佳，可温和合成并牢固附着于各类基底，纳米结构化调控可有效提升传感灵敏度，不过长期服役易氧化降解，残留单体存在安全隐患，循环形变下易出现导电层脱落问题。基底与导电材料共同决定传感器综合性能，当前研究多聚焦提升器件初始灵敏度与应变范围，却忽视了复杂环境下的长效稳定性、界面耐久性与抗疲劳性能。此外，可穿戴器件需严格遵循生物安全标准，材料尺寸、残留单体、离子析出量等指标需精准管控，这也是未来高性能、安全化柔性传感器研发的关键方向。

图6. 聚合物导体：类型、加工路线和结构。

2.2 超疏水表面的设计基础

超疏水表面技术是解决可穿戴传感器透水、表面污染问题的有效手段。依据润湿理论，超疏水表面以接触角大于150°、滚动角小于10°为判定标准，可通过构建稳定固气复合界面维持Cassie-Baxter润湿状态，实现优异疏水、自清洁防护效果。但该状态稳定性有限，受液滴冲击、压力挤压、低温结霜等外界作用时，易不可逆转变为高粘附的Wenzel状态，导致疏水性能失效。如图7所示，超疏水性能的实现依赖低表面能化学改性与微纳多级结构的协同作用。氟系聚合物、硅氧烷、长链烷烃等低表面能材料可降低固液界面作用力，抑制润湿现象；而表面微纳凸起与孔隙结构可截留空气，大幅缩减固液实际接触面积，二者缺一不可，共同构筑稳定的超疏水防护体系。尽管超疏水改性可有效提升可穿戴传感器的环境耐受性、抗污染与防水能力，但该工艺会显著制约器件传感性能。低表面能涂层易包裹导电颗粒形成绝缘层，提升器件初始电阻、降低应变灵敏度，同时削弱导电颗粒与基底的结合力，使拉伸过程中导电网络易滑移断裂。过厚或不均匀的涂层会阻碍形变传递、引发应力集中，破坏导电通路；而超疏水必备的微纳粗糙结构会分散应变应力，抑制导电网络局部形变，进一步降低传感系数。因此，如何精准平衡超疏水防护性能与高传感灵敏度，是高性能超疏水可穿戴应变传感器研发的核心难点与关键突破口。

图7. 超疏水表面的机理和结构设计。

2.3超疏水应变传感器的集成路线

将超疏水功能引入可穿戴应变传感器，是提升器件复杂环境适配性的关键技术路径，其制备核心是在不牺牲传感性能的前提下，结合低表面能改性与微纳粗糙结构构筑，实现疏水防护与精准传感的协同统一。该领域长期存在固有性能矛盾：主流导电材料多具备亲水性，而疏水改性材料大多为绝缘属性，极易破坏传感器导电通路与灵敏特性，成为器件性能优化的主要瓶颈。如图8所示，为破解这一难题，学界形成了两类主流优化方案，一是采用本征疏水导电材料，制备兼具导电性与超疏水性的功能复合材料；二是通过分级结构设计，先构建稳定导电网络，再开展表层疏水改性，分步平衡传感精度与防水自清洁性能。现阶段超疏水可穿戴传感器主要分为两大制备体系，其一为基底负载导电材料后进行表面疏水改性，依托喷涂、旋涂、激光直写等简易低成本工艺，实现高性能器件的规模化制备，可适配高湿等复杂服役环境；其二为导电材料内嵌封装结合基底疏水改性，搭配微裂纹、褶皱等特殊结构设计，进一步提升器件拉伸稳定性。值得注意的是，超疏水涂层易引发器件力学滞后效应，造成信号失真，涂层厚度、刚度与界面结合强度直接决定传感动态精度。为此，研究人员通过三维裂纹结构、梯度结构、仿蜘蛛层状结构等创新设计，有效缓解灵敏度与拉伸性的制衡难题，降低传感滞后、提升微弱形变检测能力。同时，结合化学刻蚀、纳米颗粒构筑粗糙形貌等改性手段，可在保障优异自清洁性能的基础上，实现传感器高精度、高稳定性的动态传感检测。

图8. 超疏水可穿戴应变传感器的集成路线。

2.4多功能集成及关键性能

传统传感器表面易粘附水渍、油污、粉尘与微生物，长期使用下极易出现信号漂移、性能衰减等问题，还存在生物安全隐患，严重制约了器件的服役稳定性与使用寿命。相比之下，超疏水改性传感器具备优异的自清洁、防污、防水及抗菌性能，可适配空气、水下等多元复杂工况，为研发高可靠、高生物安全性的新一代可穿戴电子器件提供了坚实基础。超疏水传感器的防污自清洁性能源于仿生荷叶效应，通过构筑微纳多级粗糙结构并复合低表面能材料，可实现超高接触角与极低滚动角，使各类液态污染物无法稳定附着，在重力或轻微外力作用下自动滚落，始终保持传感界面洁净稳定。如图9所示，为兼顾传感性能与自清洁功能，学界开发了多种复合制备策略。研究人员将炭黑、MXene等导电材料与PDMS、低表面能助剂复合，通过浸渍涂覆、气相沉积等简易工艺，构建兼具导电传感与疏水防护特性的复合结构。同时利用材料模量差异构筑微裂纹特色结构，在保障超高传感灵敏度的同时赋予器件稳定的自清洁能力。部分研究进一步结合二氧化锰光催化技术，实现有机污染物的降解清除，强化长效防污效果。多项研究证实，通过表面功能工程化设计，实现导电传感单元与超疏水防护层的协同复合，可有效抵御复杂液体侵蚀与表面污染，显著提升可穿戴应变传感器在极端场景下的稳定性、耐久性与环境适应性。

图9. 超疏水耐磨应变传感器的防污性能。

得益于超疏水表面优异的防水防潮特性，超疏水可穿戴应变传感器有效突破了传统器件的应用局限，大幅拓宽了可穿戴传感技术的适用场景。传统传感器浸水后易出现聚合物基体塑化、导电通路短路、应变信号被屏蔽等问题，完全丧失水下监测能力。而超疏水传感器通过构筑微纳二元粗糙结构并接枝低表面能分子，可在表面形成稳定的Cassie-Baxter气垫隔水层，同时搭配裂纹、多孔、纤维网络等可形变导电结构，保障拉伸、弯折状态下导电网络连续稳定。依托仿人体皮肤的多层复合结构设计，器件可实现防水防护与信号传输兼顾，顺利实现水下稳定传感。如图10所示，目前超疏水传感器的水下高精度监测主要依托三类核心策略。一是本征超疏水导电框架，通过弹性体与导电材料复合、预拉伸构筑裂纹结构，结合低表面能改性，利用裂纹开合实现高灵敏传感，表面气垫可阻挡水体渗入，适用于浅水环境精准监测。二是多层异质封装结构，仿皮肤分层构筑粘结层、传感层与超疏水防护层，依靠层间化学键实现稳固结合，外层疏水膜阻隔水体侵入，具备优异耐压能力，可在一定水深内无衰减监测人体生理信号。三是线面一体化编织结构，通过化学镀、激光刻蚀等工艺构筑微结构与疏水表层，依托纤维接触电阻变化实现传感，兼具优异力学稳定性与界面牢固度，适配更深水域探测。三种策略的水压适配性存在明显差异，但现阶段缺乏不同水深耐压性能的系统化定量对比，成为制约水下传感器件深度产业化应用的关键技术难题。

图10. 超疏水可穿戴应变传感器的水下传感监测能力。

在健康监测、运动传感与术后护理等应用场景中，可穿戴应变传感器需长期贴合人体皮肤，汗液与细菌易在器件表面形成复杂微环境，诱发传感信号漂移、皮肤感染甚至器件失效等问题。为解决该痛点，研究人员将超疏水拒液特性与抗菌功能相结合，构筑兼具防水、防污、抗菌一体化的柔性传感界面，依托超疏水气垫物理阻隔细菌粘附，搭配抗菌离子渗透杀菌，协同实现超99%的广谱抑菌效果，大幅提升器件生物安全性与服役稳定性。如图11所示，目前超疏水可穿戴传感器主要采用四类抗菌策略：一是低粘附疏水抑菌机制，利用Cassie-Baxter气垫大幅缩减细菌与器件接触面积，借助水流剪切作用去除绝大多数附着细菌，可高效抑制大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等常见致病菌；二是金属离子缓释杀菌策略，通过负载银、铜纳米颗粒，释放金属离子破坏细菌细胞膜、诱导氧化应激实现杀菌；三是接触式抗菌体系，利用MXene等二维材料的物理穿刺效应或阳离子聚合物的静电作用裂解细菌结构；四是多模式协同调控，结合焦耳热温和升温与离子缓释，加速杀菌效率，同时超疏水表层隔绝汗液，维持皮肤干爽。为兼顾高效抗菌与皮肤友好性，器件需精准调控离子释放速率与表面粗糙度，避免过度杀菌破坏皮肤菌群或粗糙结构引发肌肤刺激。超疏水界面的引入，使可穿戴传感器从单一力学传感器件升级为耐复杂环境的智能传感系统，通过自清洁防水、物理化学双重抗菌防护，有效规避汗液、微生物引发的故障与感染风险，为实现柔性电子器件多功能集成、高可靠服役及规模化实际应用筑牢了技术基础。

图11. 超疏水可穿戴应变传感器的抗菌能力。

III 稳健性瓶颈：失效机制和缓解策略

超疏水改性显著提升了柔性可穿戴应变传感器在复杂环境下的传感稳定性与功能多样性，有效解决了传统器件易受水渍、污染物及微生物干扰的难题。然而，该类传感器在实际复杂工况中仍普遍存在性能衰减问题，长期服役可靠性不足，严重限制了其落地应用与产业化推广。为此，传感器的综合环境耐受性成为当下研究核心，主要涵盖化学稳定性、力学耐久性与润湿状态稳定性三大核心维度。学界主要通过优化材料配比、改良制备工艺以及重构表面微纳结构等方式，持续提升器件在严苛环境中的抗干扰与抗衰减能力。基于此，研究领域逐步构建起完善的传感器稳健性研究体系，系统梳理超疏水功能耐久性能的测试表征方法，从能量与力学角度深度剖析器件失效的底层机理。该体系以失效机制为核心导向，形成了集器件设计、性能评价与结构优化于一体的完整理论框架，明确了统一的设计原则与量化评价标准，重点攻克化学腐蚀、机械疲劳、润湿态转变等关键失效问题，旨在全方位提升传感器的化学、力学与润湿稳定性，为实现超疏水可穿戴传感器在真实复杂场景下的长期、稳定、可靠服役提供系统化的理论支撑与技术指导。

如图12所示，超疏水可穿戴应变传感器的服役失效并非由单一因素引发，而是化学失稳、机械损伤与润湿态转变多因素耦合作用的结果，且各类失效机制形成连锁触发的恶性循环，大幅缩短器件使用寿命，是制约其长效稳定服役的核心瓶颈。在多场耦合失效体系中，循环拉伸、涂层剥离等机械损伤通常为初始诱因，会破坏表面超疏水微纳结构，致使截留空气层流失，引发不可逆的Cassie-Wenzel润湿态转变。结构破损后裸露的导电网络与基底更易受汗液电解质等化学介质侵蚀，加速导电材料氧化与高分子基体水解，其性能衰减速率远高于单一静态腐蚀工况。反之，化学腐蚀会弱化界面结合力与结构力学强度，使器件更易发生机械形变损伤，而润湿态失效会进一步加剧层间剥离，形成化学降解与机械疲劳的恶性循环。此外，细菌粘附、生物膜滋生等生物胁迫会改变器件表面润湿性与力学特性，破坏结构完整性，加速循环形变下的涂层脱落与裂纹扩展。目前学界大多聚焦单一失效因子开展研究，静态化学稳定性、干态力学耐久性的独立测试模式，忽略了多因素耦合失效与生物-力学协同劣化效应，导致器件稳健性评估结果偏离实际穿戴工况。

图12. 超疏水可穿戴应变传感器在化学、机械和状态鲁棒性方面的相互关联的挑战。

3.1化学失稳机理及对策

超疏水可穿戴应变传感器需同时具备优异的疏水防水能力与复杂化学环境耐受性，但其传统微纳粗糙结构搭配低表面能涂层的经典设计，极易在紫外辐射、腐蚀性离子及温度冲击下出现涂层降解与界面剥离，成为制约其商业化落地的核心瓶颈。传感器的超疏水性能高度依赖表面精细微纳拓扑结构，长期处于强酸、强碱、高盐等腐蚀介质中，其表层微纳结构会遭受严重侵蚀破坏，彻底丧失疏水防护能力与传感稳定性。为解决该问题，学界开发了多种耐腐蚀改性策略。如图13所示，通过聚多巴胺锚定、化学沉积等方式负载银纳米颗粒，可赋予器件酸碱、盐雾环境下的基础疏水耐腐蚀性能；而氟化碳纳米管、二氧化硅多级复合结构以及碳纳米管/MXene复合纤维体系，可进一步强化结构稳定性，长时间耐受强酸碱与盐水浸泡，维持稳定超疏水特性与传感性能。此外，PDMS表层改性结合复合导电网络的设计方案，可在保障穿戴舒适性与力学柔顺性的前提下，大幅提升器件在腐蚀环境中的信号稳定性。当前研究多基于单一酸碱、盐溶液开展静态腐蚀测试，然而人体汗液、皮脂混合体系含有电解质、乳酸与脂质成分，会加速涂层腐蚀、破坏Cassie-Baxter状态，脂质吸附与干湿循环还会诱发界面脱层、微裂纹等不可逆损伤，是单一静态测试无法模拟的。因此，依托人工汗液-皮脂复合体系开展动态测试，是精准验证传感器实际服役耐久性、推动器件实用化的必要研究方向。

图13. 腐蚀介质侵蚀原理及其应对策略。

随着环境污染加剧与臭氧层持续损耗，户外紫外辐射强度显著提升，对超疏水可穿戴应变传感器的户外长期服役稳定性构成严峻挑战。高能紫外光照射会诱发器件表层复杂光催化降解反应，尤其易造成有机硅涂层中的Si–O键断裂，破坏超疏水层微观结构与界面稳定性，最终导致疏水功能失效、传感性能衰减，大幅限制传感器的户外应用寿命。为攻克紫外老化难题，如图14所示，学界通过引入紫外屏蔽、光稳定功能组分，结合多层结构复合设计，开发出多种抗紫外超疏水传感体系，有效提升器件的户外环境耐受性。相关研究采用乙烯基甲基硅橡胶作为基底材料，凭借其优异的抗光氧化特性，可抵御紫外、臭氧与氧气的协同侵蚀，在长期光照下仍保持宽应变范围与高传感灵敏度，适配户外动态运动监测场景。此外，依托还原氧化石墨烯、二氧化硅与PDMS复合改性的壳聚糖织物传感器，可同步实现优异紫外防护与光热性能，适配长期户外穿戴需求。利用石墨烯紫外吸收耗散特性与氢氧化钴的紫外反射散射协同效应，可构筑高等级防护的多级粗糙结构，实现超高疏水接触角与优异抗紫外老化能力。近期研究进一步通过超声焊接与浸渍复合工艺，构建MXene基多功能电子织物，兼具透气特性与稳定超疏水性能，在紫外照射、高温环境与超声清洗工况下，仍可维持稳定的应变响应，展现出优异的结构完整性与功能耐久性，为高性能户外可穿戴传感器件的设计与实用化提供了可靠的技术路径。

图14. 紫外线辐射降解原理及其应对策略。

超疏水可穿戴应变传感器由疏水涂层、导电材料与柔性基底复合构成，不同材料热膨胀系数存在差异，高温环境下易出现结构失配、涂层及基底热分解等问题，引发传感性能衰减，因此器件高温稳定性是极端工况应用的关键。如图15所示，目前主要通过耐热高分子、无机纳米材料与多级微纳结构的协同设计提升器件耐高温性能，依托材料复合与结构优化，抑制高温氧化和结构劣化，保障高温下力学、疏水与传感性能稳定。现有耐高温改性手段主要分为三类：掺杂耐热、阻燃组分，引入无机耐火功能层，构筑抗热降解的多级微纳结构，可适配不同高温极端场景。但当前研究仍存在短板，难以彻底解决长期超高温下的热失配与界面失效问题，且缺乏高温-力学形变耦合工况下的系统化性能评价体系，制约了器件极端环境服役能力的进一步提升。

图15. 极端高温环境下的失稳原理与应对策略。

低温环境会严重损害超疏水可穿戴应变传感器的服役性能，低温下材料交联网络脆性提升、弹性下降，界面应力易引发涂层开裂与剥离。同时，蜡基疏水助剂易发生低温结晶相变，造成材料体积与形貌改变，破坏表面规整微纳结构，导致疏水与传感功能失效。为实现器件低温稳定应用，如图16所示，主要通过选材优化、结构设计与功能集成提升其耐低温性能。利用多孔粗糙复合结构耦合电热、光热效应，可实现器件自主热管理与除冰，保障低温下传感稳定；双层结构设计依托内部抗冻水凝胶基底抵御低温冻结，外部超疏水涂层维持润湿性能，兼顾抗冻能力与疏水稳定性。但该类体系存在核心制衡难题，防护涂层增厚可提升力学耐久性，却会增大热阻、降低除冰效率，难以兼顾结构稳健性与低温除冰响应速度，是低温传感器优化的关键技术难点。

图16. 耐极端低温环境。

3.2机械失稳机理和对策

动态力学稳定性是制约超疏水可穿戴应变传感器长效服役的核心瓶颈。循环形变易引发导电网络断裂、界面剥离与微纳粗糙结构破损，造成传感失真、疏水功能失效。超疏水性能存在临界应变极限，超阈值形变会诱发润湿态不可逆转变。材料设计存在固有制衡关系，低模量适配大应变却力学薄弱，强化界面稳定性又会牺牲拉伸柔韧性，因此兼顾传感精度、疏水稳定性与力学耐久性的结构优化设计，是当下该领域的研究重点。

为解决超疏水可穿戴应变传感器在反复形变下的不可逆结构损伤问题，研究核心在于构建含共价交联与强界面结合的三维网络体系，通过界面工程抑制导电层裂纹萌生与扩展，保障器件电学性能与超疏水功能的长期稳定。如图17所示，当前主流优化策略是将纳米导电材料与高性能弹性体紧密复合，构筑高韧性、可拉伸的一体化传感体系。例如，氟化改性PDMS复合碳纳米管的传感结构，可承受200%大应变，在摩擦磨损、高速流体冲击等恶劣力学工况下仍能保持稳定的疏水与导电性能。针对织物、纳米纤维等柔性基底，聚多巴胺界面改性可强化导电材料间及材料与基底的结合力，实现应力高效传递，有效规避层间剥离问题，大幅提升复合材料综合力学性能。现阶段主要通过单调拉伸测试与万次级循环疲劳测试评价器件力学可靠性，梯度褶皱结构传感器已展现出优异的循环服役稳定性。值得关注的是，现有研究多聚焦结构抗损性能，却忽视高频动态形变带来的可逆疏水衰减问题，高频疲劳会引发表面疏水基团取向重构，造成短暂疏水失效，因此疏水基团动态恢复特性是未来器件长效稳定应用的重要研究方向。

图17. 动态变形和结构疲劳下的失稳机制与应对策略。

借鉴天然表面微观形貌特征，构筑多级分层粗糙结构是同步实现超疏水性能与力学稳定性的核心策略。如图18所示，该设计通过精细的宏微观结构优化，为内部脆弱的导电功能层与表层微纳疏水结构提供物理防护，借助可控形变重新分配力学载荷，使器件在摩擦、拉伸、弯折等复杂力学刺激下具备优异耐久性。褶皱屈曲结构是典型仿生设计，通过预拉伸基底释压形成可控褶皱形貌，拉伸过程中结构平缓展平而非断裂，有效保护导电层完整、拓宽传感范围。基于四维收缩工艺制备的各向异性屈曲结构，可实现超高拉伸性能，兼顾细微与大幅度人体运动检测，且耐摩擦、超声清洗与机洗。核壳多层防护结构则依托外层疏水防护层隔绝水氧侵蚀，通过机械解耦抑制裂纹扩展，搭配纳米桥接结构缓解应力集中，协同提升传感灵敏度与线性范围。行业普遍采用砂纸摩擦、胶带剥离、循环弯折、高速水流冲击等测试评价结构可靠性。相关研究构建的双导电网络复合织物，可耐受多重极端力学工况，历经五千次拉伸循环仍保持疏水特性与稳定电学信号，充分验证了多级仿生结构在提升器件综合稳健性方面的显著优势。

图18. 表面磨损和界面剥离下的失稳机制与应对策略。

自愈结构设计是解决超疏水可穿戴应变传感器宏观损伤、延长器件服役寿命的核心手段，可使受损器件自主修复微观结构、疏水特性与传感性能，保障复杂环境下的工作稳定性。如图19所示，该技术核心是引入氢键、二硫键等动态可逆化学键，利用键的断裂与重组闭合损伤通道，同时借助疏水链段的自主迁移富集，快速恢复表层低能疏水特性。主流制备方式分为两类，一是合成富含动态键的自愈聚合物基底，均匀掺杂导电填料与低表面能物质，一体化构筑兼具导电、疏水与自愈功能的复合材料；二是分步构建多级结构，在自愈弹性体表层负载超疏水功能层，制备分层式自愈传感器件。业界通过对比损伤修复前后的接触角、滚动角及传感信号变化，定量评价器件自愈效率与结构稳健性。现有自愈传感器可实现多次循环修复，维持稳定灵敏度与超疏水性能，具备优异的拉伸循环稳定性与水下运动监测能力。目前该领域仍存在两大瓶颈：导电性能与疏水性能修复速率不同步，导致修复初期疏水功能短暂失效；且修复界面存在结构缺陷，长期水下服役易出现渗水、开裂与剥离问题，器件长效稳定性不足，是未来重点突破的研究方向。

图19. 宏观切割和分割下的破损机制与应对策略。

3.3界面润湿转变和对策

超疏水可穿戴应变传感器的工程化落地，受限于真实复杂工况下的润湿态稳定性不足。在结露、冻凝、油污等严苛环境中，器件表面稳定的Cassie-Baxter气垫结构极易被破坏，低表面能液体易渗入微纳孔隙，引发疏水向亲水、亲油的润湿态不可逆转变。界面理化特性劣化会大幅增强表面粘附力，造成污染物堆积、微观结构损伤，形成界面退化的恶性循环，最终诱发传感信号漂移、灵敏度衰减乃至功能彻底失效。因此，通过新型材料体系与结构创新提升器件润湿态稳健性，已成为该领域突破产业化瓶颈、亟待攻克的前沿研究重点。

依托先进制备与改性技术精准构筑形貌稳定的微纳结构，可赋予表面高接触角、低滚动角的优异超疏水特性，有效阻隔液体渗透扩散，抑制器件性能衰减，是提升超疏水可穿戴应变传感器复杂环境长效稳定性的核心手段。如图20所示，借鉴雪绒花、荷叶等天然生物表面特性，学界开发出多种仿生微纳复合结构制备工艺，通过激光直写、模板法构筑多级悬垂粗糙结构，大幅提升表面拒液与自清洁能力。皮秒激光加工的微柱阵列传感器、激光诱导石墨烯复合器件均具备优异超疏水性能与抗污染能力，可稳定抵御各类液态介质侵蚀。此外，利用相分离、纤维耦合技术可构建高韧性多孔粗糙界面，所制备的多维互锁结构织物传感器，可耐受强酸、强碱、高盐浸泡及超声振动、凝水侵蚀等极端工况。仿生夹层不对称分层结构可实现功能分区协同防护，兼顾超高拉伸性能、水下粘附切换与防污能力，适配潮湿及水下传感场景。尽管现有设计可实现优异的静态润湿性能，但普遍存在结构稳健性不足、长效服役稳定性差、难以规模化制备等问题，极大限制了其在可穿戴领域的实际落地应用。

图20. 结构加固延缓润湿转变。

针对热冲击、凝露、结冰等极端工况引发的器件性能失效问题，学界基于表面化学与环境耦合机制，开发出环境响应型智能超疏水界面，打破传统被动防护模式，实现恶劣环境下的主动防护。该类界面通过精准设计表面化学组分与微结构，可实时感知环境参数变化，自主调控界面理化特性，有效抑制水汽吸附与冰晶形核生长，保障动态复杂环境中的传感稳定性。如图21所示，目前主要包含两类智能调控策略，一是光/电热协同防护体系，依托导电、光热功能网络实现精准局部加热，阻断水汽冷凝结冰的热力学循环，兼具响应迅速、温控精准、适配柔性基底等优势，可快速除冰抑霜，实现低温高湿环境稳定服役。二是形状记忆动态润湿性调控体系，借助外场刺激触发材料微观结构与分子构象重构，动态调节表面粗糙度与界面能，可逆切换超疏水低粘附状态，自主清除残留液滴，规避湿度波动引发的信号漂移。现阶段智能响应超疏水传感器仍存在明显短板，反复热、力学循环下长效耐久性不足，难以彻底解决极端潮湿、冰冻环境中的结构劣化与传感失稳问题，限制了其极端场景的规模化应用。

图21. 自适应表面减弱凝结作用。

在实际应用中，油污附着、生物粘附等污染问题普遍存在，医疗场景下器件表面易粘附血液、蛋白质等生物分子，不仅会诱发感染风险、损耗器件性能，还会造成经济损失与安全隐患，因此构筑长效自清洁界面是保障传感器稳定服役的关键手段。如图22所示，现阶段主要通过多功能协同防护策略解决复合污染问题，依托微纳拓扑结构的物理阻隔、超低表面能与化学惰性的协同作用，构建超双疏界面，有效抑制水相与油相液体润湿铺展。氟化改性碳基复合水凝胶传感器在70%大应变下仍保持优异疏水疏油特性，可抵御油性介质侵入，避免传感信号漂移。同时，“超疏水物理屏障+抗菌化学抑制”的复合策略，结合了被动防粘附与主动杀菌优势，借助微结构减少微生物附着，依托抗菌组分破坏细菌代谢结构，抑制生物膜滋生。银颗粒掺杂、氟硅烷改性等复合体系，可同步实现水下疏油与高效抗菌性能，在雨水冲刷、含菌液滴冲击等动态工况下保持稳定传感性能。目前该领域仍存在短板，难以应对油污、蛋白、微生物共存的复合污染环境，且高强度形变下的长效自清洁与传感稳定性仍有待突破。

图22. 多功能防污表面减弱物质粘附。

3.4多失稳耦合与评价框架

现阶段，超疏水可穿戴应变传感器的稳健性评价已涵盖化学稳定性、力学耐久性与润湿态稳定性等核心指标，但整个领域仍缺乏统一、通用的标准化测试与评价体系。可穿戴器件应用场景跨度极大，涵盖人体健康监测、运动传感、户外作业、水下探测及医疗穿戴等领域，不同场景对传感器的耐候性、力学耐受能力与环境适配性要求差异显著。同时，现有研究的测试设备、实验条件与评价方法尚未形成统一范式，且产学研协同规范体系缺失，多数研究沿用自定义实验参数，使得紫外老化时长、机械循环次数、腐蚀介质浓度、极端温度区间、水洗磨损条件等关键测试参数参差不齐。这种测试体系碎片化问题，严重阻碍了不同研究成果之间的横向对比与性能对标，极易造成器件性能被片面高估，导致实验室优异性能与真实复杂工况下的服役表现严重脱节，极大制约了该类器件的迭代优化与产业化进程。

针对上述行业痛点，本文结合国际通用ISO、ASTM行业标准、多场景实际服役需求与测试设备实操条件，依托大量文献数据统计分析与工程应用目标，构建了一套科学严谨、可落地、全覆盖的综合性能评测规范。该体系围绕化学稳定性、力学稳定性与润湿态稳定性三大核心维度，系统明确了紫外老化、酸碱盐腐蚀浸泡、高低温循环、动态循环形变、摩擦剥离、凝露结冰、抗菌抗污染等关键测试的标准化参数与量化评价阈值。该标准化评价方案有效统一了行业测试准则，填补了超疏水可穿戴传感器稳健性评价的标准空白，为后续器件性能公允比对、结构优化、可靠性评估及规模化工程应用提供了重要的规范化理论与技术支撑。

IV  总结

本文围绕超疏水可穿戴应变传感器结构设计-功能集成-稳健补强-评测标准全链条展开综述，系统梳理材料选型、超疏水构筑、多功能化、失效防控四大方向研究进展，总结化学、力学、润湿三类失效本源与优化路径，破解多因素耦合失效认知短板，建立行业标准化稳健性评价方案。

现阶段器件仍存在：苛刻耦合环境下长效稳定性不足、低成本规模化量产困难、环保无氟疏水材料短缺等现实难题。后续研发需立足多机制协同一体化新材料开发，依托统一评测标准迭代优化配方与结构，加速推动超疏水传感器件从实验室样品落地于潜水监测、户外安防、医用贴身监护等水陆全场景应用。

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