济大王鹏/山大李阳/河北工大孟垂舟/青大姚钊 Nano-Micro Lett.：一种基于水凝胶的柔性集成多模态传感贴片

2025-02-25 来源：高分子科技

水凝胶在可穿戴传感领域的应用前景广阔，但往往存在机械性能低、保水性差、灵敏度低、功能单一等问题。在此，该工作提出了一种基于水凝胶的柔性多模态接近/压力/温度电子皮肤（H-PPT），用于监测人类睡眠行为的健康管理系统。

近期，济大王鹏博士/山大李阳教授/河北工大孟垂舟教授/青岛大学姚钊副教授联合在Nano-Micro Letters上发表了题为“A Flexible-Integrated Multimodal Hydrogel-Based Sensing Patch” 的研究成果。济南大学机械工程学院青年英才岗王鹏博士与济南大学信息科学与工程学院硕士研究生王国庆为该论文共同第一作者，该论文提出了一种基于水凝胶的柔性多模态接近/压力/温度电子皮肤（H-PPT），水凝胶具有良好的机械性能以及保水性，用以确保传感性能的稳定。水凝胶层实现了0.5 ℃^?¹的温度传感灵敏度。由于离子超电容传感机制，该压力传感器在1 kPa的低压时具有30.6 kPa^-1的高灵敏度，在40 kPa的高压时具有26.3 kPa^-1的高灵敏度，响应/恢复时间为5.6 ms，并且得益于在摩擦电聚偏氟乙烯(PVDF)摩擦层中引入二维MXene，该非接触式传感器具有超过2 m的超宽非接触式检测范围和良好的循环稳定性。

该传感功能的核心是由底层的水凝胶基压力-温度传感层、顶层的非接触式检测层组成。通过将传感器置于枕头不同位置，可以实时监测人体在睡眠过程中的体温、压力分布和位置变化。这些数据对于研究睡眠质量和睡眠障碍具有重要意义。（图1）。

图1 应用在人体睡眠监测的水凝胶基接近/压力/温度传感器的结构设计与表征. (A) 水凝胶基压力-温度传感器的制备流程以及内部所含有的离子交联结构. (B) 接近/压力/温度传感器的3维结构、功能、应用以及实物图展示. (C) 水凝胶的FTIR光谱分析. (D) 水凝胶的拉曼光谱分析. (E) 水凝胶可以被制作成蝴蝶、宠物犬、火烈鸟等各种形状，以及水凝胶的拉伸性展示.

该水凝胶层实现了0.5 ℃^?¹的温度传感灵敏度。通过多次循环温度变化测试传感器的响应，传感器表现出了良好的循环稳定性。为了验证传感器在实际应用中的性能，将传感器贴附于烧杯外侧，将其应用于对不同温度的水进行测试，传感器能够准确检测到水温的变化。另一方面，制备的传感器具有良好的线性关系，基于其优异的性能，所制备的温度传感器在体温监测方面具有很大的潜力。（图2）。

图2 温度传感器的性能特点以及机制. (A) 水凝胶温度传感器的工作示意图. (B) PEDOT:PSS分子的工作原理示意图. (C) 温度传感器的灵敏度. (D) 传感器在34 ℃-38 ℃以及38 ℃-42 ℃的不同温度下的循环性能. (E) 不同载流子浓度下的传感器灵敏度对比. (F) 在不同拉伸以及不同温度下的传感器性能变化. (G) 传感器在同一温度下保持稳定性能. (H) 在加热和冷却循环下传感器信号变化具有很好的线性拟合. (I) 对不同的水温进行检测. (J) 响应恢复时间.
为了增强传感器的灵敏度和响应速度，通过图形转移方法在水凝胶的表面制作了球形体微结构。微结构的存在减小了初始接触面积，这些结构在传感过程中起到了关键作用。通过COMSOL软件进行了仿真，模拟了施加压力过程中的传感器行为，通过仿真分析，观察到压力施加在水凝胶表面时，内部结构的变化和应力分布。传感器在1 kPa的低压力下灵敏度为30.6 kPa^?1，在40 kPa高压力下灵敏度为26.3 kPa^?1，且响应恢复时间小于5.6 ms。可以进行25 Pa和50 Pa的微小压力检测。（图3）。

图3 压力传感器的性能特点以及机制. (A) 水凝胶压力传感层的表面微结构SEM图像表征. (B) COMSOL仿真施加压力过程. (C) 压力传感器的灵敏度曲线. (D) 压力传感器的响应恢复时间. (E) 传感器的最低检测限. (F) 不同频率负载下的信号变化. (G) 不同温度下对传感器的压力性能的影响. (H) 不同压力下对温度传感性能的影响. (I) 与目前已报道的工作进行性能的比较. (J) 用手去抓握装有不同含量水的杯子.

接近式传感层主要采用摩擦电原理，摩擦层作为传感层与不同的材料相互作用，对每种材料产生不同的电压值。在PVDF中掺杂二维MXene片进行静电纺丝后，制备出具有球形多重物理网络结构的复合薄膜，这种球形多重物理网络具有优异的化学稳定性和较高的比表面积，能够有效捕获和积累更多的负电荷，可以进行2 m的距离检测。（图4）。

图4 接近式传感层的性能特点以及机理. (A) 摩擦电接近式传感层垂直模式的工作原理示意图. (B) 使用直线电机将接近式传感层与不同种类材料进行碰撞摩擦测试. (C) 接近式传感层与不同种类材料的测试电压对比. (D) 接近式传感层与尼龙材料进行电流测试. (E) 传感层与尼龙材料进行电荷测试. (F) 传感层与尼龙材料进行电压测试. (G) 不同的温度下对测试电压的影响. (H) 测试电压随着相隔距离的增加而减小. (I) 接近式传感的COMSOL仿真测试. (J) 不同负载下的峰值功率. (K) 不同测试频率下的电压变化.

将传感器贴在机械手指上，模拟接触装有温水的玻璃瓶(为了防止湿度对传感器产生的影响，玻璃瓶口使用Parafilm进行了封装)，通过控制机械手的运动轨迹，能够精确地模拟人类手指在初始-接近-接触-远离物体过程中的感知过程。为了验证多模态传感系统的稳定性和可靠性，进行了多次循环测试，测量了接近、压力和温度信号在不同循环条件下的变化情况。结果显示，三种信号在多次循环测试中表现出良好的稳定性和一致性，说明多模态传感系统具有较高的重复性和可靠性，能够在实际应用中提供稳定和可靠的感知数据。

图5 机械手模拟现实中的多模态传感. (A) 机械电信号与神经信号的概念图. (B) 三种传感模态信号的特征. (C) 机械手模拟初始-接近-接触-远离四种状态. (D) 在初始-接近-接触-远离四种状态下的三种模态传感的信号变化. (E)接近/压力/温度三种不同信号变化进行结合，并进行多次循环测试.

为了验证多模态传感器在人体睡眠监测中的应用潜力，通过一系列实验和数据分析来验证其卓越的性能。多模态传感系统通过集成多个传感器，实现对睡眠过程中不同状态的精准监测和实时反馈。首先将三个传感器分别贴在枕头的不同位置，温度传感监测夜间体温变化，提供关于体温调节的关键信息，接近传感可以帮助分析睡眠时的运动轨迹和是否存在频繁的翻身行为，压力传感则精确记录头部位置的变化，检测出侧卧、仰卧等不同睡姿，识别出可能导致不良睡眠的姿势。随后采用了一维卷积神经网络（1D CNN）对五种不同睡眠状态进行训练和测试（躺下、起床、打鼾、右侧转身和左侧转身），最后识别成功率可以达到97.6%。通过整合这些数据，用户可以获得个性化的睡眠建议，从而改善睡眠质量，预防潜在的健康风险。

图6 应用在人体睡眠监测的多模态传感综合系统. (A) 三个多模态传感器分别贴在枕头不同位置，预防潜在的健康风险. (B) 人体躺下时多模态传感器的信号响应. (C) 人体向右侧转身时多模态传感器的信号响应. (D) 人体向左侧转身时多模态传感器的信号响应. (E) 人体分别在躺下、起床、打鼾、右侧转身和左侧转身等五种睡眠状态下的传感器的信号变化. (F)五种不同睡眠状态使用1D CNN训练，识别成功率97.6%.

总结：综上所述，该工作制作了一种基于水凝胶的柔性多模态接近/压力/温度电子皮肤（H-PPT），用于人类睡眠行为的健康管理系统。该系统通过整合水凝胶的优异机械性能和持久保湿性，以及多模态传感功能，实现了高灵敏度和高稳定性的监测。研究表明，H-PPT电子皮肤能够提供准确的体温、压力和接近式检测数据，并且使用一维卷积神经网络(1D-CNN)分析传感器的数据以帮助分析睡眠时的运动轨迹和是否存在频繁的翻身行为，为用户提供个性化的睡眠建议，从而改善睡眠质量，预防潜在的健康风险。这一创新不仅拓展了水凝胶在可穿戴设备中的应用，也为未来健康监测系统的设计提供了新的思路。

作者介绍

王鹏：济南大学机械工程学院教师，硕士生导师，校聘青年英才岗，研究方向为柔性传感器，重点突破柔性传感在实用化过程中遇到的传感材质柔弹性差、传感器件灵敏度低和可穿戴性差等瓶颈问题，并取得了一定的研究成果与奖励。以第一作者/通讯作者在领域国内外重要期刊Nano Micro Letters、InfoMat、Advanced Fiber Materials、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、Advanced Electronic Materials、Advanced Materials Interfaces、Nanoscale等发表论文33篇，包括17篇中科院一区Top期刊，2篇ESI前1%高被引论文；申请发明专利17项，授权4项；获得天津市创新奖学金1次（2022年），天津市王克昌文化科技奖学金1次，博士研究生国家奖学金2次（2021年与2022年）；河北省优秀研究生毕业生1次（2023年），河北工业大学优秀博士论文（2024年），河北工业大学学术之星1次（2022年）；多次参加学术会议并做分会场报告。个人主页：https://faculty.ujn.edu.cn/wangpeng1/zh_CN/index/149227/list.

李阳：山东大学集成电路学院教授，博士生导师，IEEE高级会员，科技部中韩青年科学家、山东省泰山学者青年专家、山东省高校集成电路创新团队带头人、山东省优青、山东省青年科技人才托举工程入选者、齐鲁青年学者，主持国家自然科学基金项目、科技部项目、山东省优秀青年基金项目、山东省重点研发计划项目等省部级以上项目10余项。主要研究领域：新一代半导体材料与器件；“传感存算一体化”芯片系统。已累计发表SCI检索论文100余篇，其中以第一作者/通讯作者在Chem. Soc. Rev.、Matter、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、IEEE Trans. Electron, Dev. 等领域内顶尖期刊上发表中科院一区文章45篇，包含封面文章10篇，授权国家发明专利15项，韩国发明专利11项。

孟垂舟：河北工业大学机械工程学院特聘教授，博士生导师。国家海外高层次人才引进计划青年特聘专家、河北省海外高层次青年人才、河北省侨联侨界专家委员会委员。清华大学物理学学士、博士学位，曾任职美国普渡大学生物医学工程系博士后研究员、美国IBM半导体研发中心高级工程师、新奥集团能源研究院石墨烯/储能/能源新材料等技术中心主任。长期从事新型纳米材料和高分子弹性体的制备研究，以及其在能源转换与存储、生物医学传感、柔性电子皮肤、可穿戴健康设备、和健康护理装备上的应用开发。

姚钊：青岛大学电子信息学院副教授，硕士生导师。从事射频无源集成器件与电路、射频生物传感器及新型柔性电子器件的研究。发表高水平论文50余篇；出版英文著作1部；授权中国和韩国发明专利14项，实现成果转化1项。目前主持国家自然科学基金2项，科技部中韩青年科学家交流计划项目1项，山东省高等学校青创团队、山东省自然基金、山东省高校科研计划项目3项，教育部产学合作协同育人项目5项。入选科技部中韩青年科学家，山东省高等学校智能生物传感交叉研究青创团队带头人，IEEE高级会员，IEEE青岛分会副主席，山东生物医学工程学会康复工程专委会委员。

原文信息

Wang, P., Wang, G., Sun, G. et al. A Flexible-Integrated Multimodal Hydrogel-Based Sensing Patch. Nano-Micro Lett. 17, 156 (2025).

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01656-w

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（责任编辑：xu）

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