通过对类皮肤柔性自供能传感器系统各个模块的核心功能器件进行多尺度结构设计使得其具有可变形、可延展的“类皮肤”特性。类皮肤柔性自供能传感器因为兼具保形接触、可延展特性以及生物兼容性等优势目前被广泛应用在健康监测、慢病管理、智能康复等领域。但是其核心功能器件设计中仍然存在一些关键科学问题与技术问题,急需使用多尺度结构设计方法进行解决。在核心部件传感器方面,针对平面蛇形网状结构的可延展能力分析方法,目前忽略了不同网格分布造成的影响,因此需要构建理论模型来进一步完善;同时激光诱导石墨烯应变传感器小形变区域灵敏度低、电生理传感器导电性能弱等问题,需要进一步使用微观结构修饰的方法来完成优化。在可拉伸天线方面,由于其在应变加载过程中谐振频率会发生偏移,且网状地平面会导致辐射方向图中相对较大的后瓣,并降低自身天线辐射性能,恶化了环境射频能量捕获效率。本论文着眼于以上问题,使用从平面内二维到平面外三维,从宏观结构设计到微观结构修饰的方法构建多尺度结构设计策略,开展一系列研究。在优化核心传感器方面,为进一步完善平面蛇形网状结构的可延展能力分析方法,揭示了“拉伸角”与“有限距离”对网格分布的影响,并针对非周期加载现象得到了理想条件下的平面网格极限拉伸能力计算模型,实现了对不同分布的网格可延展能力的预测。同时利用“激光图案化-水失活转印”工艺制备了电生理传感器与无线应变传感器,实现了人体心电信号、肌电信号和腕关节运动信号的响应,其中重点探讨了不同拉伸角对于无线应变传感器的线性度的影响,实现了 0.999的线性拟合系数。进一步地针对激光诱导石墨烯完成微观结构修饰,研究了不同纤维/多孔复合结构占比对于电阻输出响应的影响,结果表明在25%功率下的复合结构呈现出S形“应变-电阻”曲线,实现了针对小形变的高灵敏度应变传感能力;研究了不同活性银离子墨水浓度对于导电增强的影响,结果表明导电性能获得了 3个数量级的提升从而实现了更稳定、信噪比更高的心电、肌电监测;并通过葡萄糖氧化酶的修饰,实现了灵敏度为19.5μA/mM的葡萄糖传感。在另一个核心功能器件可拉伸天线方面,阐述了混合“层级”的结构设计策略,探讨了不同预拉伸条件与不同数量键合位置形成的三维蛇形结构微带贴片天线的“机械-电磁学”性能,最终实现了可拉伸类皮肤天线在25%应变范围内谐振频率仅改变小于2%的“应变不敏感”特性。同时利用其优异的在体辐射特性,实现了2.4 GHz频段下超远距离（～90 m）通讯。进一步对上述可拉伸天线进行非对称结构配置,探讨了对称/非对称结构配置形成的三维蛇形结构微带贴片天线的“机械-电磁”性能,结果表明“Asy1:2”非对称结构配置的微带贴片天线,优化了无线通讯能力（通讯距离达到～120 m）,峰值增益相对于平面可拉伸天线从0.95 dB提高至3.52 dB,实现了平均充电能量为43 μJ/s的高能量供给密度。最终完成了类皮肤柔性自供能传感系统的概念验证,实现了人体健康信息（脉搏波）与运动信息（手指、腕部、肘部关节运动）的实时监测。