物質(zhì)科學(xué)

Physical science

近日，暨南大學(xué)蘇炳添教授、李風(fēng)煜教授合作在Cell Press細(xì)胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上發(fā)表了題為“Multidimensional Signal Decoding via Anisotropic Hydrogels for Motion Monitoring”的綜述文章。文章對(duì)各向異性水凝膠在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行了全面綜述，可幫助研究者系統(tǒng)理解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，為各向異性水凝膠傳感器設(shè)計(jì)開發(fā)提供指導(dǎo)。

研究簡介

人體運(yùn)動(dòng)是生物體內(nèi)部最復(fù)雜精妙的生物力學(xué)過程之一。由此產(chǎn)生的多維信號(hào)涵蓋從基礎(chǔ)生理狀態(tài)到高級(jí)神經(jīng)調(diào)控的各個(gè)層面。對(duì)這些信號(hào)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)在競技體育、運(yùn)動(dòng)康復(fù)、人機(jī)交互及先進(jìn)診斷領(lǐng)域具有關(guān)鍵意義。因此，通過可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)持續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，用以提升運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)并評(píng)估健康狀態(tài)的需求日益增長。同時(shí)，人體生物系統(tǒng)（如肌肉、皮膚和關(guān)節(jié)軟骨）呈現(xiàn)獨(dú)特的分層結(jié)構(gòu)，各向異性取向延伸至宏觀尺度，這種有序結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)生獨(dú)特各向異性功能至關(guān)重要。憑借其高含水量、卓越生物相容性及類組織力學(xué)特性，水凝膠被視為構(gòu)建“電子皮膚”的理想材料。各向異性水凝膠傳感器（AHS）憑借獨(dú)特的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜運(yùn)動(dòng)信息的精準(zhǔn)解耦與多尺度傳感，成為運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，盡管學(xué)術(shù)界已積累了大量實(shí)踐成果，對(duì)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的各向異性水凝膠傳感器仍缺乏系統(tǒng)分析，對(duì)先進(jìn)設(shè)計(jì)策略也尚未形成全面梳理。本綜述系統(tǒng)闡釋了肌纖維排列、AHS設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)之間的關(guān)聯(lián)，揭示了AHS的仿生設(shè)計(jì)原理及其提升運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)效率的關(guān)鍵作用（圖1）。同時(shí)也聚焦AHS材料的多尺度應(yīng)用，如微生理信號(hào)采集、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析及現(xiàn)場運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)?？蓭椭芯空呦到y(tǒng)理解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，為設(shè)計(jì)開發(fā)更高性能的傳感器提供指導(dǎo)，在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有重要意義。

圖1.各向異性水凝膠傳感器 (AHS) 的仿生設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。

AHS的材料類型與性能調(diào)控

AHS可根據(jù)各向異性形成機(jī)制及其活性組分的主要功能對(duì)材料進(jìn)行系統(tǒng)分類，例如結(jié)構(gòu)各向異性、導(dǎo)電各向異性和磁各向異性等。研究人員聚焦于兼具高柔韌性、優(yōu)異導(dǎo)電性與生物相容性的復(fù)合體系，既包括聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酰胺（PAM）等傳統(tǒng)水凝膠基材，也涵蓋纖維素、竹材等天然生物質(zhì)材料，以及MXene、石墨烯、碳纖維等功能性納米填料，通過基材與填料的協(xié)同復(fù)合，為傳感器賦予基礎(chǔ)力學(xué)與電學(xué)性能。性能調(diào)控則圍繞三大核心方向展開（如圖2），界面機(jī)械設(shè)計(jì)提升傳感器與皮膚的貼合度和耐用性，同時(shí)強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，滿足高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)需求。電學(xué)性能定向優(yōu)化，通過有序?qū)щ娡返臉?gòu)建強(qiáng)化信號(hào)捕獲的靈敏度與方向性，多功能協(xié)同調(diào)控實(shí)現(xiàn)力學(xué)、電學(xué)、響應(yīng)性等性能的平衡適配，為復(fù)雜場景監(jiān)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

圖2. AHS中界面與力學(xué)、電學(xué)及多種性能的協(xié)同效應(yīng)。

AHS材料合成策略

各向異性結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)建是AHS發(fā)揮定向傳感功能的核心前提，目前主要合成方法可分為三大類（圖3）。首先是物理模板與先進(jìn)制造技術(shù)，通過平行靜電紡絲、3D打印、定向冷凍等手段，直接制備出有序的結(jié)構(gòu)，例如利用平行靜電紡絲制備取向Janus納米帶，進(jìn)而組裝成兼具導(dǎo)電與熒光特性的雙功能水凝膠陣列膜，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能的精準(zhǔn)匹配。再者是外場誘導(dǎo)取向策略，借助機(jī)械拉伸、磁場、電場等外部物理場，驅(qū)動(dòng)水凝膠內(nèi)部的聚合物鏈、納米填料沿特定方向排列，比如通過拉伸重塑與離子配位交聯(lián)制備超高強(qiáng)度各向異性導(dǎo)電水凝膠，或利用磁場誘導(dǎo)磁性納米片定向分布，賦予材料各向力學(xué)與導(dǎo)電性能。最后是內(nèi)驅(qū)動(dòng)自組裝方法，依托分子間氫鍵、疏水作用等非共價(jià)鍵的自發(fā)協(xié)同作用，引導(dǎo)組分自組裝形成有序結(jié)構(gòu)。

圖3. AHS材料合成策略

多尺度運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)

從肌電信號(hào)捕捉，到關(guān)節(jié)屈伸、真實(shí)運(yùn)動(dòng)場景實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，AHS展現(xiàn)多尺度傳感能力。其獨(dú)特的各向異性特質(zhì)，能夠有效解耦復(fù)雜運(yùn)動(dòng)中的多維信息。微生理信號(hào)監(jiān)測(cè)方面，AHS能夠敏銳捕捉肌電信號(hào)、脈搏波動(dòng)、面部微表情等細(xì)微變化，其定向?qū)щ娡房捎行帘苇h(huán)境干擾，提升信號(hào)采集的信噪比。關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，針對(duì)腕部、肘部、膝關(guān)節(jié)等多自由度活動(dòng)部位，AHS可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜屈伸、扭轉(zhuǎn)動(dòng)作的多維信息捕獲，幫助記錄動(dòng)作幅度、頻率和發(fā)力強(qiáng)度，提高運(yùn)動(dòng)效率。在實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)場景監(jiān)測(cè)時(shí)，AHS的柔性貼合特性與高靈敏度，能夠?qū)崟r(shí)量化運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，同時(shí)傳感器數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙連接傳輸至手機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與分析，不僅能識(shí)別正確姿勢(shì)，還能精準(zhǔn)判定錯(cuò)誤姿勢(shì)，為運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)化訓(xùn)練提供數(shù)據(jù)支撐（圖4）。這些研究結(jié)果表明，AHS能夠在人體處于不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，準(zhǔn)確且實(shí)時(shí)地捕捉生理變化。它在運(yùn)動(dòng)過程中的健康與表現(xiàn)監(jiān)測(cè)方面展現(xiàn)出巨大潛力，為訓(xùn)練提供指導(dǎo)。

圖4. AHS的多尺度運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)

結(jié)論與展望

本綜述系統(tǒng)梳理了用于運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的AHS的材料類型、性能調(diào)控、制備及應(yīng)用進(jìn)展。當(dāng)前，AHS已在結(jié)構(gòu)調(diào)控與功能適配方面取得顯著突破，但仍面臨長期穩(wěn)定性不足、多性能協(xié)同優(yōu)化難、規(guī)模化制備成本高等挑戰(zhàn)。因此，未來AHS設(shè)計(jì)需重點(diǎn)在一下方面展開深入研究：（1）多物理場協(xié)同調(diào)控，（2）跨尺度設(shè)計(jì)，從材料、器件到系統(tǒng)的全鏈條優(yōu)化，（3）多模態(tài)傳感能力，更全面地監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或身體指標(biāo)。

作者介紹

蘇炳添

教授

蘇炳添，暨南大學(xué)教授（本文共同通訊作者），體育學(xué)院院長，“亞洲飛人”將自身頂尖賽場經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為短跑領(lǐng)域的理論支撐，深耕科研與教學(xué)一線。由暨南大學(xué)聯(lián)合廣東省體育局、中國田徑協(xié)會(huì)共建的蘇炳添速度研究與訓(xùn)練中心，以運(yùn)動(dòng)科技與科學(xué)訓(xùn)練為核心方向，著力推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研深度融合，為中國短跑事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展注入強(qiáng)勁動(dòng)力。

李風(fēng)煜

教授

李風(fēng)煜，暨南大學(xué)教授（本文共同通訊作者）、博士生導(dǎo)師，國際電工協(xié)會(huì)印刷電子標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)專家。主要從事高效復(fù)雜系統(tǒng)分析、聚合物光子晶體與柔性電子器件的研究。發(fā)表SCI論文100余篇，包括Anal. Chem. (18)，Nat. Commun. (1)，Adv. Mater. (7)，Angew. Chem. Int. Ed. (4)，CCS Chem. (1)，ACS Nano (4)，Adv. Funct. Mater. (3)，Chem. Sci. (1)，Energ. Environ. Sci. (1)，Small (3)等，17次被選為期刊的封面/內(nèi)封面文章。申請(qǐng)中國發(fā)明專利15項(xiàng)，授權(quán)5項(xiàng)，國際專利2項(xiàng)。2015年作為首批中國專家，在國際印刷電子標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)中提交中國首個(gè)印刷電子國際標(biāo)準(zhǔn)（關(guān)于印刷邊界波浪起伏測(cè)定）。2015年作為執(zhí)筆人參與起草中國印刷及設(shè)備器材工業(yè)協(xié)會(huì)《中國印刷產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖》。2015年中國科學(xué)院科技促進(jìn)發(fā)展獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（第九完成人）；2016年北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（第二完成人）。

吳媛媛

碩士研究生

吳媛媛，碩士（本文第一作者），現(xiàn)于暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院攻讀碩士學(xué)位。主要從事各向異性水凝膠傳感與應(yīng)用的研究。以第二作者在國際期刊Matter，iScience雜志發(fā)表了論文

陳永歡

博士研究生

陳永歡，博士（本文第二作者），現(xiàn)于暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院攻讀博士學(xué)位。主要從事納米生物傳感檢測(cè)與應(yīng)用的研究。以第一（含共同）作者在Nat. Commun. (1)、Adv. Mater. (1)、Matter (1)、ACS Nano (1)和Anal. Chem. (3)等發(fā)表SCI論文9篇，申請(qǐng)中國發(fā)明專利2項(xiàng)。主持獲批2025年暨南大學(xué)研究生拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)項(xiàng)目，同年獲廣東省優(yōu)秀青年科研人才國際培養(yǎng)計(jì)劃資助赴香港城市大學(xué)訪學(xué)。2025年研究生國家獎(jiǎng)學(xué)金；智匯創(chuàng)新·2025年暨南大學(xué)研究生創(chuàng)新論壇優(yōu)秀創(chuàng)新獎(jiǎng)；2025年暨南大學(xué)生命科學(xué)創(chuàng)新獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

相關(guān)論文信息

原文刊載于Cell Press細(xì)胞出版社

旗下期刊Cell Reports Physical Science，

▌?wù)撐臉?biāo)題：

Multidimensional signal decoding via anisotropic hydrogels for motion monitoring

▌?wù)撐木W(wǎng)址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386426000238

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2026.103117

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