摘要

类皮肤电子器件在生理状态的高保真监测和实时健康分析方面展现出巨大潜力。然而，人体运动引起的机械应变往往会导致传统柔性器件性能下降甚至电连断开。钛碳化物 MXene 纳米片因其卓越的导电性和多功能特性，是构建系统级 MXene 电子学（MXetronics）的理想材料。

2026年1月31日，西南交通大学杨维清教授等人通过层次化刚度微格工程，提出了一种应变不变、全向可拉伸的 MXene 电子系统（sos-MXetronics）。该策略集成了图案化的硬化层和模量缓冲互连线，有效防止了性能漂移。该系统在 40% 的应变下仍能保持 95-98% 的性能稳定性，成功实现了无运动伪影的血压、脉搏和体温连续监测，为下一代高性能、可靠的柔性医疗保健监控系统奠定了基础。

正文内容

图1 | 全MXene微格系统的结构与应变不变性能。a, 应变不变MXene无线系统在变形或非变形状态下稳定运行的示意图；b, 本研究系统与传统无线电子器件的性能对比；c, sos-MXetronics典型结构的二维图；d, 50% 应变下系统应变分布的机械模拟；e, 拉伸过程中裂纹调节行为的显微对比图；f, 传统器件与本研究系统在 40% 应变下的性能波动对比；g-h, 系统在拉伸、弯曲和扭转变形下的有限元分析与实验结果。

图1表明，sos-MXetronics 在半径 3.3 cm 的范围内 ingeniously 安排了 8 个微型超级电容器（MSCs）、3 个电阻式传感器、1 个 NFC 天线及其互连网络 。通过在 Ecoflex 弹性基底上图案化 PDMS 硬化层（Elastiff layers），并利用模量缓冲的 PET 互连线，应变被有效地分配到低模量的间隔区域，从而保护了核心功能器件不发生裂纹扩展 。实验证明，系统在各种复杂机械变形下（如 30% 拉伸、1 cm 半径弯曲、90° 扭转）均表现出卓越的机电稳定性。

图2 | Li⁺交换MXene膜与可拉伸MXene天线的表征。a, 离子交换过程示意图；b, TMA-Ti₃C₂Tₓ 与 Li-Ti₃C₂Tₓ 的 XRD；c, 不同层间离子下膜的导电性对比；d, 本策略与传统方法在蚀刻时间和导电性上的对比；e, 喷涂与激光切割工艺流程图；f, 不同基底上图案化 MXene 的拉曼光谱；g, 高分辨率集成电路光学图及截面 SEM 图；h, 四种结构在拉伸下的相对电阻变化；i-q, MXene NFC 系统的设计、电磁仿真及机电稳定性测试。

图2中，为了提高导电性，研究者开发了一种离子交换和絮凝方法，将 MXene 层间的有机大分子（TMA⁺）替换为 Li⁺，使膜导电性从 216 S/cm 提升至 3505 S/cm。此外，重新设计的正弦波调制螺旋线圈天线在 50% 的极端拉伸下电感变化仅为 6%，确保了在人体运动过程中无线能量传输和数据交换的稳定性。

图3 | MXene压力传感器（P-sensor）与温度传感器（T-sensor）的设计与表征。a, 压力传感器结构示意图；b, 间断式微结构 PDMS 膜的 SEM 图及压缩测试对比；c, 不同微结构下传感器的电流响应曲线；d, 传感器对静态梯级压力的实时响应；e-h, 压力传感器在不同应变下的 FEA 模拟及应变不变性能测试；i-l, 温度传感器的 FEA 模拟、动态响应及应变下的稳定性测试。

图3表明，压力传感器采用间断式微柱结构，显著提升了低压区的灵敏度（56.1 kPa⁻¹），是平面结构的 120 倍。通过 PDMS 硬化层的局部加固，传感器的有源区在 0-40% 应变范围内的间距变化小于 5%，实现了约 96% 的应变不敏感度。温度传感器则利用 MXene 的负温度系数（NTC）特性，结合蛇形几何设计，在拉伸状态下依然能保持准确的测温功能。

图4 | 无线能量收集与微超级电容器（MSCs）充电。a, 集成两大功能模块的无线系统示意图；b, 无线充电系统电路图与工作机制；c-f, 微超级电容器在不同拉伸应变和弯曲角度下的光学图及循环伏安曲线；g, 能量收集电压与传输距离随负载电阻的变化；h, 不同应变下天线的开路电压输出；i-j, 无线充电与恒电流放电曲线及 40% 应变下的循环性能；k, 系统在拉伸状态下点亮 LED 的实验照片。

图4表明，无线系统利用感应耦合原理，将天线接收到的交流电整流为直流电，为由多对交指电极组成的 MSCs 充电。由于采用了硬化层保护，MSCs 在 0-40% 应变下的电容保持率高达 98%。手机 NFC 激发的 MXene 天线能提供约 5.5 mW 的稳定功率，在 2 秒内即可将 MSCs 阵列充电至 2 V，为整个闭环系统的无线运行提供动力支撑。

图5 | 基于应变不变MXene器件的类皮肤无线微格系统。a, 志愿者佩戴 sos-MXetronics 进行在体测试的照片；b, 系统电子框架方框图；c, 系统拉伸时的机械合规性展示；d, 各组件在应变下的工作能力及续航能力评估；e-g, 腕部运动过程中的脉搏信号采集及连续小波变换分析；h-j, 血压预测的模型示意图、波形提取及特征数据分析；k, 全天实时监测的收缩压、舒张压及体温数据。

图5表明，完全集成的 sos-MXetronics 能够经受 15,000 次循环拉伸而无性能衰减 。在实际应用中，传统 MXene 器件在手腕弯曲产生的 20% 应变下往往会发生信号中断，而本系统能持续提供精确的脉搏和体温数据 。通过两个压力传感器精确捕捉桡动脉的压力波形，结合深度学习模型，系统实现了临床级的血压（SBP/DBP）全天候监测，预测精度达到 IEEE A 级标准。

总结与展望

本研究展示了一种全向应变不变的、全 MXene 基的微格系统，实现了能量收集、存储、压力/温度感知及无线通信的稳定集成。通过硬化区域与可拉伸互连线的协同设计，器件在 40% 的拉伸应变下性能损耗小于5%。sos-MXetronics 的成功研发，极大地减少了人体关节运动对生理信号采集的干扰，显著提升了数据的有效性。这种多功能、闭环、应变不敏感的柔性电子设计策略，为下一代可穿戴医疗设备、人机交互界面及大规模集成柔性制造提供了全新的可能性。

文章信息：Wang, S., Deng, W., Huang, H. et al. Strain-invariant omnidirectional stretchable MXetronics. Nat Commun (2026).

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-68925-z