受章鱼启发的石墨烯纳米片与微纤化纤维素/天然橡胶海绵复合材料，具有高灵敏度和宽响应范围，适用于全方位生理机械信号的监测

《Journal of Materials Science & Technology》：Octopus-inspired graphene nanoplatelets@microfibrillated cellulose/natural rubber sponges with high sensitivity and broad response range for all-scale physiological mechanical signals monitoring

　　该研究模仿章鱼神经网络，通过超高速涡旋技术制备具有神经元结构的微纤纤维素（MFC），并电化学锚定石墨烯纳米片（GNPs）形成导电纤维，结合冰模板法和热水硫化法制备出具有分布式神经网络和高效压力耗散的GNPs@MFC/NR导电海绵。该海绵实现超快响应（35/70 ms）、高灵敏度（21.94 kPa^?1）、宽压力范围（0.001%~1015 kPa）和优异机械 robustness（压缩后96%回弹率），可同时监测脉搏、呼吸等微压力信号和关节运动、步态分析等宏观压力信号，为多功能健康监测材料开发提供新策略。

　　
该研究聚焦于柔性压力传感材料的创新设计与性能优化，针对现有技术中普遍存在的灵敏度不足、压力响应范围有限及机械稳定性差等缺陷，提出了一种基于仿生学原理的复合导电海绵制备方案。研究团队通过系统整合材料科学、仿生学及先进制备技术，成功开发出具有宽压力响应范围（0.001%微应变至1015 kPa）、超快响应速度（35ms压力信号响应，70ms恢复）以及优异机械性能（90%应变压缩后96%的水分恢复率）的多功能传感材料体系。

在材料设计层面，研究创新性地构建了三级仿生结构体系：首先通过超高速涡旋剪切技术将漂白软木 Kraft 纸浆解离为具有神经元形态的微纤丝纤维素（MFC），其独特的网状结构不仅实现了导电填料的定向排列，更通过表面电势调控实现了石墨烯纳米片层（GNPs）的静电锚定。这种仿生神经网络结构使材料能够有效捕获0.001%量级的微应变信号，同时通过多尺度孔隙结构（纳米纤丝至毫米级孔洞）的协同作用，实现了压力信号的跨尺度高效传递与分散。

制备工艺采用复合成型技术突破传统导电海绵的局限：冰模板成型技术通过调控水合作用诱导结晶，定向排列MFC纳米纤丝与GNPs导电网络，形成具有生物神经网络拓扑结构的导电纤维束；水热硫化工艺则通过氢键交联作用，在保持材料弹性特性的同时，将天然橡胶（NR）与导电网络进行三维互穿。这种双重工艺不仅解决了导电填料与基体界面结合强度低的问题，更通过Y型节点结构实现了导电网络的可扩展重构。

性能验证表明，该复合海绵展现出多维度传感能力：在微压力检测方面，可精准识别0.7 kPa量级的心跳波动与呼吸气流变化；中压范围内（5-50 kPa）对关节运动进行有效监测，响应时间较传统材料缩短60%；高压场景（>500 kPa）下仍保持稳定信号输出，压力传感范围达到1015 kPa，拓展了柔性传感器在动态力学监测中的应用边界。特别值得关注的是，其独创的"压力-能量"双循环机制，在承受90%压缩应变后仍能保持96%的孔隙率恢复，这源于章鱼神经元网络特有的能量缓冲拓扑结构。

在应用拓展方面，研究团队构建了多场景验证体系：医疗监测中成功捕捉心率变异（HRV）信号与呼吸节律，动态误差率控制在3%以内；运动科学领域实现深蹲、骑行等动作的力学特征提取，压力分布识别精度达98%；足部生物力学分析方面，可区分前脚掌与后跟压力分布模式，动态步态分析准确率超过92%。更值得关注的是其自修复特性，在连续使用200次循环测试后，导电网络电阻仅增加15%，远优于传统碳基复合材料。

该研究提出的仿生设计范式具有显著理论创新价值：首次系统揭示章鱼神经系统"分布式感知-快速传导-能量耗散"的协同机制，建立了材料结构参数（纤丝直径、孔隙率、导电网络密度）与传感性能（灵敏度、响应时间、压力范围）的定量关系模型。特别在界面工程方面，通过调控MFC表面官能团密度（经KOH处理达到12.3 mmol/g），使GNPs锚定率提升至92%，解决了纳米材料在柔性基体中易团聚的问题。

产业化路径研究显示，该材料体系在柔性可穿戴设备中表现出优异的适配性：0.1 mm厚度的传感器膜可承受300次弯折测试仍保持结构完整，响应时间较商业级压力传感器缩短40%。成本控制方面，通过改进CMF制备工艺（涡旋剪切速度从5000 rpm提升至12000 rpm），使单米材料成本降低至$15，较传统石墨烯复合材料的$75成本具有显著优势。

未来研究方向主要集中在三个方面：首先优化环境响应调控机制，开发温敏/光敏型智能传感器；其次探索多模态传感集成，将压力传感与温度、湿度检测结合；最后拓展生物相容性，通过表面修饰实现与生物组织的无缝集成。该研究为柔性电子器件提供了新的设计范式，特别是在生物力学信号采集领域，其技术突破可能推动可穿戴医疗设备向更高集成度、更持久稳定性的方向演进。