针对上述挑战，西北工业大学官操教授课题组创新性地提出了一种“溶胀诱导模量设计”策略，成功构建出兼具高拉伸性、优异透气性和机械-电气稳定性的可拉伸透气应变隔离基底（SISS）。该基底不仅实现了519%的拉伸率和3.86 MPa的拉伸强度，还在500%应变下保持电阻变化率仅为3.78，同时具有31.4 mm/s的透气率和2577.67 g/(m²·day)的透湿率，性能优于此前报道的同类可拉伸透气支撑材料。

相关研究成果以“Swelling-induced strain-isolation for stretchable and breathable integrated electronics”为题，发表于《Nature Communications》。

研究团队以静电纺丝聚氨酯纳米纤维膜作为基底（图1b），利用丙烯酸酯单体（异冰片基丙烯酸酯IBOA和丙烯酸丁酯BA）对PU纤维的良好亲和性，使单体分子渗透并溶胀PU纤维内部，随后通过原位紫外光聚合形成聚丙烯酸酯网络，与PU分子链形成氢键和链缠结，从而在单根纤维尺度上实现增强（图1c）。X射线衍射图谱显示，单体溶胀后PU的衍射峰明显左移，表明分子链间距增大，而聚合后峰位保持不变，证明溶胀构型被有效锁定于互穿网络中（图2c）；傅里叶变换红外光谱进一步证实了PU与丙烯酸酯之间的氢键作用及单体双键的成功转化（图2d）。溶胀后的PU膜由白色变为透明，直观反映了单体向纤维内部的渗透（图2e）。通过调节IBOA（刚性）与BA（柔性）的比例，并利用模板辅助打印技术选择性地在基底上形成刚性岛区和软桥区（图2a），研究人员构建了可编程的“刚性岛-软桥”结构（图1d）。扫描电子显微镜和拉曼图谱证实，改性区域与未改性区域之间形成了约40微米的连续梯度界面，且基底的多孔纤维结构得以保留，确保了透气通道的畅通（图2f-h）；原子力显微镜纳米力学表征也验证了该梯度界面的存在。为验证界面粘附强度，团队将红色染色的PU通过Soft-PA与PU缝合，该样品在500%拉伸应变下仍保持完整，展现了强大的界面结合力（图2i）。密度泛函理论计算表明，PU与IBOA、BA的结合能（分别为-3.6~-4.8 kcal/mol和-5.2~-8.8 kcal/mol）显著高于PU与PDMS单体的结合能（-1.1~-2.1 kcal/mol），从分子层面解释了溶胀行为的驱动力（图2j-l）。

图1 用于可拉伸透气集成电子器件的溶胀诱导应变隔离。 a 先前报道的集成电子器件在拉伸应变下的示意图。b 典型的基于SISS的电子器件的分解示意图，包含可拉伸透气的SISS、可拉伸电路和刚性电子元件。c 溶胀诱导模量设计及PU、PU/Stiff-PA和PU/Soft-PA纤维在拉伸应变下变形的示意图。d SISS在初始状态和拉伸状态下刚性岛上的元件和软桥上的可拉伸电路的放大示意图。e 基于SISS的可拉伸透气电池集成无线传感系统示意图，集成了无线充电模块、储能模块和压阻传感模块。

图2 SISS的制备与表征。 a SISS的制备流程和微观结构示意图。b 交联PU/PA的详细化学结构。c PU、PU/PAP和PU/PA的XRD图谱和d FTIR光谱。e PU、PU/PAP和PU/PA膜的照片（上为Soft/PA，下为Stiff/PA）。f 原位聚合Soft-PA（左）和Stiff-PA（右）的PU膜的SEM图像。g PU/Soft-PA和h Stiff-PA/PU界面的高倍放大图。该实验进行三次，结果相似。i Soft-PA缝合的PU膜及拉伸状态下的照片。j DFT计算的PU与IBOA、BA和二甲基硅氧烷结合能的统计比较。k PU与IBOA和l PU与BA的静电势映射。IBOA和BA分子的分子结构和静电势图显示于下方。

在力学与电气性能测试中，优化后的SISS基底（刚性区采用Stiff-PA₃，软桥区采用Soft-PA₃）展现出卓越的应变隔离效果（图3a-b）。其刚性区与软桥区的模量比高达1777倍。有限元模拟显示，当电子元件集成于刚性岛时，应力主要集中于软桥区域，而刚性岛本身几乎不受力，其中Soft-PA作为Stiff-PA与PU之间的缓冲层，有效平滑了界面应变传递，避免了传统软硬界面处的应力集中和器件脱层（图3d-e）。实验表明，将1Ω电阻固定在刚性岛并通过液态金属互联，在500%拉伸应变下电阻变化率仅为3.78，而相同结构在普通PU基底上于39.4%应变时即发生失效（图3f）。该基底对液态金属互连的界面断裂能高达571.4 J/m²，较PU、PU/Ecoflex和PU/PDMS等对照基底（均低于40 J/m²）高出逾一个数量级。在100%应变下循环拉伸超过10000次，电阻变化极小，且刚性岛上搭载的LED在500%应变下仍保持点亮（图3g）。将七个10Ω电阻排成六边形并联阵列，在500%应变下仍能稳定工作（图3j）。该基底在极限应变和电阻稳定性以及模量比等综合指标上，显著优于此前报道的各类岛-桥结构基底（图3i）。

图3 SISS的机械-电气性能。 a 不同Soft-PA含量和b不同Stiff-PA含量下PU的应力和应变值。c PUS和SISS的应力-应变曲线。d PUS、PU-Stiff岛和SISS在拉伸变形下应力分布的FEA模拟。e 拉伸过程中界面应力演变的放大视图。f 刚性岛上1Ω电阻经液态金属互联的ΔR/R₀随应变变化。g 刚性岛上0Ω电阻经液态金属互联的循环拉伸测试中的电阻变化。插图：第2000次循环的放大视图及对应的照片（其中电阻被替换为LED并在拉伸下拍摄）。h 经液态金属互联的刚性岛上电阻在拉伸应变下的电阻变化。i 本工作与先前报道基底在模量比（ΔE）和ΔR/R₀与极限应变（εt）方面的比较。j 七个10Ω电阻并联排列在SISS上的电阻变化及LED阵列照片。

在穿戴舒适性评估中，SISS展现了优异的空气和湿气透过能力。其透气率和透湿率与原始PU膜相当，远高于完全改性的PPAS基底和PU/PDMS复合基底（图4c-d）。水蒸气透过率测试显示SISS（377.87 kg/cm²）显著高于PPS（31.03 kg/cm²）（图4e）。此外，SISS在防水性、柔韧性和耐磨性之间取得了良好的平衡（图4f-h）。十名志愿者佩戴测试表明，SISS和PU基底可舒适佩戴超过12小时，而PPS基底则较快引发皮肤不适（图4i）。佩戴6小时后，SISS覆盖区域皮肤湿度仅增加约37%，PU膜约35%，PPAS约47%，均远低于PPS的约68%（图4j），红外热像也显示SISS区域皮肤温度正常，而PPS引发严重红斑和热不适（图4k）。简易白烟透气实验直观验证了SISS的良好透气性——覆盖PUS、SISS和PPAS的瓶中均观察到白烟逸出，而覆盖PPS的瓶中则无白烟（图4l）。此外，SISS中PU/PA区域在人工汗液（pH 4.7±0.1）中浸泡3天后，其力学、结构和界面性能均无明显变化，展现了良好的长期佩戴耐久性。

图4 SISS的穿戴舒适性。 a 不同PA含量PU膜的示意图和SEM图像。该实验进行三次，结果相似。b 不同PA、Ecoflex和PDMS含量下PU膜的透气性比较。c 透气性、d 透湿性、e WVTR、f 静水压、g 弯曲刚度和h 耐磨性的比较（PUS、SISS、PPAS和PPS）。柱高：均值；误差线：标准差（s.d.）；n=5个独立样本。i 参与者对12小时测试中不同电子器件舒适佩戴时长的反馈。j 佩戴PUS、SISS、PPAS和PPS 6小时后相对皮肤含水量的比较。方块：均值；中线：中位数；箱限：上下四分位数；须线：1.5倍四分位距；点：离群值。n=10名志愿者。统计学显著性采用双侧多重比较检验。k 基于PUS、SISS、PPAS和PPS的电子器件贴附于皮肤（左）及佩戴6小时后相应皮肤状况（中）的照片。红外热像（右）显示移除后的皮肤温度。l 两个分别装有HCl和NH₃·H₂O的玻璃瓶，分别覆盖基于PUS、SISS、PPAS和PPS的电子器件。

基于SISS的可编程架构，研究团队进一步集成了无线充电模块、锌离子电池和压阻式传感阵列，构建了电池集成的无线压力监测系统（图5a）。液态金属天线被印刷在刚性岛上，确保在拉伸时线圈不变形，从而在0-100%应变下保持约6V的稳定无线接收电压（图5b-c）。锌离子电池在1 mA/cm²电流密度下提供0.52 mAh/cm²的面容量和0.54 mWh/cm²的能量密度（对应功率密度1.04 mW/cm²），且在100%应变下性能几乎无衰减（图5d-e）；两节串联可实现3.2V工作电压（图5f）。电池在250次充放电循环后仍保持89.4%的初始容量。压阻式传感器基于PU/MXene多孔层，在0.1-120 kPa宽压力范围内工作，灵敏度在0.1-1 kPa、1-10 kPa和10-120 kPa区间分别为11.4、4.54和1.89 kPa⁻¹，响应和恢复时间约130 ms，且在100%拉伸状态下信号稳定（图5g-i）。无线充电系统可有效为ZIB充电，达到恒流放电电压的90.6%，30次无线充放电循环后容量保持率超过85%（图5j）。在连续监测中，ZIB提供约1.0V稳定输出电压，驱动传感器在100次加载/卸载循环中输出稳定的相对电流变化信号（图5k）。整个系统在30%双轴拉伸下仍能正常工作（图6d），压力分布图和时域热力图显示各传感通道信号几乎不受应变干扰（图6e-f）。

图5 基于SISS的高性能集成器件。 a 无线充电器件示意图。b 施加于发射线圈、由液态金属天线接收及整流后用于直流充电的电压波形。c 100%应变下液态金属天线接收的电压波形。d ZIB示意图。e ZIB在初始状态和100%应变下于1 mA/cm²的GCD曲线比较。f 两个可拉伸ZIB串联的GCD曲线。g 压阻传感器示意图。h 0.1至120 kPa压力范围内压阻传感器的ΔI/I₀随时间变化。插图：ΔI/I₀随压力变化。i 压阻传感器在初始状态和100%应变下的ΔI/I₀。插图：响应和恢复时间的放大比较。j ZIB的无线充电和恒流放电曲线。k 压阻传感器在连续监测中的实时ΔI/I₀响应曲线（蓝色）及对应的ZIB放电电压曲线（黄色）。

最后，团队将这一集成系统应用于长期卧床患者的姿态监测（图6a-c）。系统包含无线充电线圈、整流模块、六个锌离子电池单元、十六通道压阻传感阵列和LoRa无线通信模块，可贴附于衣物背部。实际监测显示，仰卧、右侧卧、左侧卧三种姿态在压力分布图和时域热力图上呈现出明显差异的对称或不对称压力分布模式，实现了姿态的准确识别和长时间跟踪（图6g-i）。系统还内置了基于时间阈值的姿态预警功能，当检测到局部持续受压时可提醒用户调整体位，降低长期局部压力导致组织损伤的风险。在持续3天的连续佩戴测试中（数据来源于补充材料），SISS系统覆盖区域皮肤湿度仅增加7.7-9.1%，温度升高1.28-1.53%，基底透气率保持98%以上，传感器信号漂移低于7.6%，未出现皮肤刺激反应；1小时运动测试中SISS系统覆盖皮肤湿度约42%，而PPS系统高达约70%并伴有明显红斑（图6j-k）；睡眠期间连续温度监测显示SISS系统热状态接近自然皮肤，而PPS系统因缺乏透气性导致皮肤表面温度异常（图6l），充分验证了其长期舒适性和稳定性。

图6 基于SISS的可拉伸透气电池集成无线压力监测系统。 a 穿戴于背部用于用户监测的可拉伸透气集成系统照片。比例尺：5 cm。b 系统关键功能组件的细节照片，包括无线充电单元、ZIBs、可拉伸电路和压阻传感器。比例尺：2 cm。c 多通道压力信号采集与分析系统的示意图，包括信号采集、处理、无线传输和移动应用。d 集成系统在30%双轴拉伸应变下稳定电气性能的照片。比例尺：2 cm。e 0%和30%双轴拉伸应变下不同施加压力（2、5、20、10 kPa）时的压力分布图可视化和f对应的时域-传感器热图。g 仰卧、h 右侧卧和i 左侧卧姿态的卧床用户示意图及对应的压力分布图和时域-传感器热图。j SISS系统和k PPS系统覆盖运动1小时后的皮肤状态照片。l 睡眠期间使用SISS系统和PPS系统对成人身体的连续温度监测。

该工作通过溶胀诱导的分子级纤维重构，巧妙解决了可拉伸电子器件在透气性、机械鲁棒性和多功能集成之间的矛盾，为下一代可穿戴健康监测系统提供了一种兼具高性能和佩戴舒适性的通用平台。研究团队指出，该多层设计策略未来有望进一步拓展至生理监测、电子皮肤、智能纺织品和软体机器人等交互式应用领域。