在蓬勃发展的5G通信技术和互联网时代，电子设备与无线通信技术的普及加剧了电磁干扰（EMI），引发恶心、头痛、眼部问题及癌症等健康风险，对婴儿大脑发育的影响尤为显著。因此，电磁屏蔽材料对保护人类及电子设备至关重要。然而单一功能的屏蔽材料难以满足现代生活需求；例如孕妇需要兼具电磁屏蔽与胎儿健康监测功能的材料。由此可见，具备电磁屏蔽能力的多功能可穿戴电子产品亟待开发。
近日，桂林理工大学李裕琪团队与苏州大学文震课题组受骨小梁结构的启发，以天然橡胶为基体，提出了一种宏量制备具有不对称多孔结构的多功能复合膜（SCN）的方法。该SCN复合膜表现出优异的人体运动监测性能、卓越的电磁屏蔽性能和出色的焦耳热性能。基于 SC12N 的传感器能够识别模拟胎儿运动中的不同胎儿运动频率，结合机器学习，其识别准确率达到了 95.56%。而且，SC12N 复合膜能有效抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生长，并具有出色的生物相容性（细胞存活率超过 96%）。具有不对称多孔结构的 SCN 多功能复合膜在下一代可穿戴电子产品、电磁干扰屏蔽服装以及个人热管理方面具有广阔的应用前景。
2025年10月28日，相关论文以“Bioinspired Asymmetric Porous Natural Rubber Films: Wearables for Electromagnetic Shielding, Fetal Monitoring, and Personal Thermal Management”为题，发表在《Advanced Functional Materials》杂志上。
图1展示了大规模制备SCN多功能复合膜的制备流程和表征。海藻酸钠修饰的碳纳米管和天然乳胶在交联和微相分离的共同作用下，形成了不对称多孔结构。
图1：SCN复合膜的制备和表征a）SCN膜的制备过程，b）NR膜的数码照片，bi，bii）NR膜的SEM图像，b iii）NR膜的EDS能谱。c）SCN复合膜的数码照片，c i，c ii）SCN膜的SEM图像，c iii）SCN膜的EDS能谱。
多孔SCN复合膜表现出优异的力学性能，能承受百倍于自身重量的负载，拉伸强度最高能达到10.7 MPa，断裂伸长率达到了500%，且具有优异的电导率，其最大电导率达到了36.1S/m，在经过洗涤液洗涤后也能维持复合膜的电导率不下降。同时，SCN复合膜还表现出优异的抑菌性能和生物相容性（图2）。
图2：SCN复合膜的机械和电气性能，a）SN和不同MWCNT含量SCN的应力应变曲线和b）力学性能，c）SC12N复合膜提起两千克的重物，d）SCN厚度和电导率，e）使用 1g L-1洗涤剂溶液在40°C、1000rpm 搅拌5分钟条件下对SCN进行的耐洗性测试。f）将洗涤前后的SCN作为导线点亮小灯泡的亮度对比，g) 洗涤后电阻与重量的相对变化。100%表示原始电阻和重量得以保持。h）SN和不同MWCNT含量SCN的热重曲线，i）SN和SCN对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制能力。
图3展示了SCN复合膜在人体运动监测方面的应用。SCN复合膜在1-10%的小应变下的应变系数GF达到了3.46，能够精准识别眨眼、吞咽和手指弯曲等动作，且具有快速的应变响应能力（响应时间160ms）。
图3：SCN复合膜的传感性能，a）不同MWCNT含量的SCN在不同的应变范围的ΔR/R0变化，b）1-10%的应变范围内SC12N复合膜的ΔR/R0变化和拟合曲线，c）10-100%的应变范围内SC12N复合膜的ΔR/R0变化和拟合曲线，d）40%的应变下SC12N复合膜的响应速度，e）SC12N复合膜在 40%应变下 500 次拉伸/释放循环的耐久性测试，f）SC12N可以检测人体的各种活动，例如：g）眨眼，h）吞咽，i）手指弯曲，j）手腕活动，k）膝盖活动。
胎动是胎儿健康状况的一个关键指标，例如，胎儿在被脐带缠绕缺氧的时候往往变得焦躁后逐渐减少甚至消失，实际表现为胎动频率的先增加后减少。因此，监测胎动情况具有重要意义。在本工作中设计了一种模拟胎动结构，能够模拟不同频率的胎动。用SCN复合膜收集胎动信号，通过机器学习对不同频率的胎动进行识别，识别准确率能达到95.56%，表明了SCN复合膜在胎动监测方面有巨大的潜力（图4）。
图4：SCN复合膜在模拟胎动中的应用。a）展示胎儿的几种胎动类型，b）通过SC12N复合膜测得不同模拟胎动频率的阻值变化，c）通过CNN识别胎动频率，d）机器学习训练和测试准确率和损失率，e）CNN算法对不同模拟胎动频率识别的混淆矩阵，f）展示了通过机器学习得到的数据可用于孕妇的健康检测和在线医疗指导。
随着碳纳米管含量的增加，总屏蔽效能也显著增加，在109 µm的厚度下达到了22.7 dB。具有仿骨小梁的不对称多孔结构的SCN复合膜通过控制孔隙率和孔径分布，增强电磁波的耗散和吸收，从而提高电磁屏蔽性能（图5）。
图5：SCN薄膜的电磁屏蔽性能，a）电磁波在 SCN 膜内部多重反射与吸收的电磁干扰屏蔽机制示意图。b）SCN 膜在 X 波段的电磁干扰屏蔽效能。c）不同 MWCNT 含量的 SCN 膜的EMI SE三维柱状图。d）不同MWCNT 含量的SCN 膜的功率系数（SER、SEA和SET）。e）SC12N 膜的比屏蔽效能(SSE)与厚度同经典屏蔽材料的对比。f）照片证明SC12N 膜能有效阻隔无线电波传输。g）展示了 SC12N 膜在EMI 屏蔽中的潜在应用。
此外，本工作所制备的SCN复合膜可被用作低功耗、柔性的焦耳加热其间，具有优异点电-热相应性能，通过MUC控制加热程序还能在低温时接通电源，温度过高时切断电源，实现对温度的准确控制（图6）。
图6 SC12N薄膜的焦耳加热性能。a）SCN薄膜中焦耳加热的示意图。（b, c）不同输入电压下SCN薄膜上表面b）和下表面c）的温度变化曲线。d) 5V电压下达到饱和温度63.2%所需的时间常数(τ)。e) 2-9V输入电压范围内的时间常数曲线。f) 饱和温度与输入电压关系的实验数据及线性拟合。(g) 2-9V电压下SC12N薄膜的阶跃焦耳加热测试。h) 详细温度响应曲线。i) 9V电压下可重复焦耳热效应的滞后测试。j) MCU控制SC12N薄膜加热的电路图。k) MCU控制加热装置实景照片。l) 显示稳定温度分布的红外图像。
综上所述，本研究成功开发了一种集胎动监测、应变传感、电磁屏蔽和焦耳加热于一体的多功能橡胶复合膜。其具有的不对称多孔结构赋予了材料卓越的综合性能，使其在胎动监测、电磁屏蔽、便携式设备和可穿戴电子设备等领域具有广阔的应用前景。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202521742
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