随着可穿戴电子和智能纺织品的发展，纤维传感器需要在柔软、可拉伸的基础上同时感知人体运动和环境湿度。然而，关节弯曲、呼吸和出汗常在实际穿戴过程中同时发生，若应变与湿度共同作用于同一导电网络，容易引起电信号耦合，影响对不同刺激的准确识别。因此，如何在单根纤维中实现湿度与应变的分通道感知，并在大变形条件下降低交叉干扰，是柔性多模态传感器研究中的重要挑战。
近日，我院晋阳副研究员、张典堂教授团队在国际学术期刊《Chemical Engineering Journal》发表题为“Core–shell hygro-strain fiber with spatially separated electronic and ionic channels for dual-modal humidity and strain sensing”的研究论文。研究采用湿法纺丝与预拉伸辅助浸涂工艺，构建了由CNT/石墨烯/TPU电子导电芯层与WPU/EMIM-Cl离子导电壳层组成的核壳湿度—应变双模传感纤维（HSF）。芯层通过拉伸引起的导电网络变化感知应变，壳层利用吸湿引起的离子传输变化感知湿度，并结合四电极分区接触，实现两类信号的分别采集。优化后的纤维断裂伸长率约390%，应变静态标定范围可达350%，在50%应变、1 Hz条件下经过10,000次加载—卸载循环后保持稳定响应；湿度感知范围为20%—90% RH。在所测湿度与应变组合条件下，以各通道满量程输出归一化计算，湿度对应变通道、应变对湿度通道的最大交叉干扰误差分别为2.83%和4.17%。进一步结合五通道采集系统和卷积神经网络，在未见受试者测试中实现89.5%的四类手势识别准确率，展示了该纤维在人体动作监测与人机交互中的应用潜力。
图1展示了HSF的结构设计、传感机制及制备流程。研究通过湿法纺丝和预拉伸辅助浸涂，将电子导电芯层与离子导电壳层集成于同一纤维。芯层通过形变引起的导电网络变化感知应变，壳层利用吸湿引起的离子传输变化感知湿度，形成双通道传感结构。
图2展示了HSF的应变传感性能及人体动作监测应用。芯层在不同应变区间呈现分段灵敏响应，响应与恢复时间约为150 ms和180 ms；在50%应变、1 Hz条件下连续循环10,000 s仍保持稳定输出，并可记录手指弯曲和膝部、颈部、腕部等部位的动作信号。
图3展示了HSF的湿度传感性能及呼吸相关湿度变化监测。随着相对湿度由20%升至90%，壳层阻抗和电阻降低、电导率增大，响应与恢复时间分别约为7 s和84 s。将纤维集成于口罩后，可记录深呼吸、正常呼吸、屏息、说话及快速呼吸等状态下的湿度响应差异，展示了定性监测呼吸相关湿度变化的可行性。
图4展示了HSF的四电极双通道读出结构及湿度与应变交叉干扰评估。通过组合加载下的响应曲线、热图、二维响应分布及动态测试，评估两通道的选择性。在所测组合条件下，以各通道满量程输出归一化计算，湿度对应变通道、应变对湿度通道的最大交叉干扰误差分别为2.83%和4.17%，表明空间分区与独立电极读出有助于降低信号串扰。
图5展示了HSF五通道手势监测系统及卷积神经网络辅助识别流程。基于5名受试者共600次手势试验，采用训练、验证和测试受试者互不重叠的五折评估，实现对Good、Yeah、OK和Fist四类手势的初步识别，未见受试者测试的总体准确率为89.5%，宏平均F1值为0.895，体现了该纤维与多通道采集及机器学习结合的应用潜力。
论文第一作者为江南大学纺织科学与工程学院2024级硕士研究生张家诚，通讯作者为晋阳副研究员、张典堂教授。该研究获得国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、中国博士后科学基金和国家科技重大专项等项目资助。
通讯作者简介
晋阳，副研究员，博士生导师，江南大学至善青年学者。主要从事无机纤维及其功能化、功能纤维及柔性材料的研究，主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中国博士后特别资助项目、中国博士后面上资助项目，参与科技部 2030 国家重大科技专项。发表论文 50 余篇，其中包括NC、AFM等国际期刊论文，申请发明专利多项。
张典堂，教授、博士生导师，现任江南大学纤维工程与装备技术学院副院长、特种FH纺织品教育部重点实验室副主任、江苏省先进纺织结构与功能复合材料JMRH创新平台副主任等。入选国家级青年人才计划、中国纺织青年科技奖、江苏省JMRH领军专家、江南大学至善岗位教授等。一直从事耐极端环境特种纤维与先进编材研究，着重开展无机纤维与陶瓷基复合材料、多功能编织复合材料与结构力学、3D编织超结构成形与装备技术等研究，成果成功应用于航天防热舱、航空热端部件、航天热密封件等。主持国家自然科学面上基金、国家重大科技专项课题、江苏省优秀青年基金等30余项。发表论文100余篇，授权专利20余项，参编论著3部，参与编制国家标准1项。以第一完成人获江苏省科学技术奖、中国纺联科技进步奖等4项。兼任中国复合材料学会纺织结构复合材料分会副主任委员、中国纺织工程学会纺织复合材料专委会（筹）秘书长、中国复合材料学会青年委员会执行委员、复合材料学报/纺织学报/纺织高校基础科学学报青年编委等。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.182109
