近期，柔性发光传感器(FLS)因其在物理刺激高灵敏度监测方面的进展而受到广泛关注。基于FLS，特别氢键有机框架(HOF)基FLS，我们课题组已相继实现了对声场、磁场、气流、水流、压力及震动等物理刺激的发光传感，并建立了若干模型——振动、弯曲和拉伸模型——从流固耦合的角度描述了柔性薄膜在外界物理场或流体作用下的变形行为。然而，上述研究仍存在一个根本的局限性：这些模型未能建立起物理变形与相应发光响应之间的直接机理关联。尽管这些模型在力学层面提供了有价值的见解，但它们未能揭示发光强度变化背后的深层物理起源或调制机制，在刺激与发光输出之间留下了一个“黑箱”。这一空白阻碍了为物理刺激传感设计更精确FLS的进一步发展。为弥补这一不足，迫切需要将机械运动与发光行为直接联系起来。位移和角度作为机械变形的基本度量，为建立这种联系提供了有前景的基础。开发能够同时追踪这些参数及发光变化的系统，有望将柔性发光传感从现象观察转变为机理解释。

高效、超灵敏的位移和角度传感对于精密测量至关重要，是高端制造的关键先决条件。过去几十年间，主要发展了两类传感方法：光学方法(如激光与光栅干涉仪)和电学方法(如电容式与电感式传感器)。与电学方法相比，已报道的光学传感器具有抗电磁干扰、非接触操作、高分辨率和长测量范围等优势。然而，它们常面临小型化、结构复杂性和集成能力有限等挑战。相比之下，FLS具备外形紧凑、结构简单和易于集成的独特优势，凸显了其巨大的应用潜力。HOF因其固有的荧光(S₁→S₀)-磷光(T₁→T₀)双通道发光特性而成为有前景的光响应平台。HOF中丰富的官能团便于其集成到柔性薄膜器件中，实现多功能设计和器件上的信号转导。通过将这种响应型发光HOF薄膜嵌入可控的机械平台，可以通过刺激调制的发光变化，实现耦合位移-角度刺激的实时光学读出。鉴于此，我院闫冰教授团队近期设计了一种机械驱动、磷光增强的HOF基荧光-磷光双通道传感系统，用于同时、双模监测位移和角运动，从而在物理刺激和发光响应之间建立了基本的发光-机械耦联，相关成果以“Mechanistic-Driven, Phosphorescence-Enhanced HOF-Based Bionic Dual-channel Sensor for Precision Bimodal Monitoring of Displacement and Angle Enabled by Photon Flux Modulation”为题在线发表于化学、材料顶级期刊Advanced Materials。

图1受昆虫触角机械感知机制启发的，PBA@TPA-PEA@CF制备示意图及位移和角度变化的发光传感路径，与传感器在机械手掌上应用示意图

研究人员受昆虫触角机械传感功能的启发，开发了一种荧光-磷光双通道HOF传感器——PBA@TPA-PEA@CF——用于同步、双模态检测位移与角度变形，旨在揭示机械刺激与发光响应之间的基本耦合机制。该传感系统的构建包含三个关键步骤：(i)通过离子交换策略合成增强磷光的HOF(PBA@TPA-PEA)；(ii)采用喷涂法沉积PBA@TPA-PEA于棉纤维(CF)上，形成柔性发光PBA@TPA-PEA@CF复合膜；(iii)PBA@TPA-PEA@CF与机械驱动和读出系统无缝集成。所制备的传感器展现出卓越的位移与角度双通道传感性能：超快响应速度(60 ms与20 ms)、极低的检测限(0.025 mm与0.3 °)、超高灵敏度(荧光通道：1480.59 m⁻¹与69.32 ° ⁻¹；磷光通道：583.09 m⁻¹与0.18 ° ⁻¹)、超高精度(荧光通道：RSD ≤ 0.2379%与0.1145%；磷光通道：RSD ≤ 0.1145%与1.9637%)以及优异的重复性(分别达1000与1100次循环)。位移和角度不仅可作为输入参数，而且可作为直接将机械输入耦合到光学输出的内在转导变量。光-机械耦合模拟揭示了一种未被认识到的物理刺激传感机制：机械运动动态地调节PBA@TPA-PEA@CF薄膜接收到的入射光子通量和有效光密度，从而以可逆的方式控制发光强度变化。此外，通过集成人工智能驱动的信号处理技术，PBA@TPA-PEA@CF可作为智能可穿戴织物实时、高保真地跟踪机器人手臂的运动，并且PBA@TPA-PEA@CF能起到智能、非接触式光学开关传感器的作用，监测窗户的开关状态。这项工作为机械-发光转换建立了一个机制框架，为下一代、高精度、专为物理刺激传感而定制的柔性发光传感器铺平了道路。

图2 PBA@TPA-PEA的结构与发光表征及磷光增强机制解释

图3 PBA@TPA-PEA对位移的荧光磷光双通道传感性能研究

闫冰教授为论文的独立通讯作者，我院博士研究生朱凯为论文的第一作者。该研究工作得到国家自然科学基金项目的支持。

  论文连接：http://doi.org/10.1002/adma.74339