對下一代可穿戴設(shè)備應(yīng)用中高精度表皮壓力感知的日益追求，使電子皮膚成為精準(zhǔn)醫(yī)療和人機交互的重要仿生平臺。傳統(tǒng)的表皮壓力傳感器受到界面分層和機械不匹配的嚴(yán)重限制，在動態(tài)條件下會影響長期監(jiān)測的準(zhǔn)確性。
圖1原位粘附水凝膠界面的設(shè)計、形成、集成和應(yīng)用示意圖。
針對上述問題，北京林業(yè)大學(xué)楊俊教授與北京口腔醫(yī)院白玉興教授等人利用原位黏附生物凝膠策略（IAB），以液態(tài)溶膠狀態(tài)接觸皮膚、球拍柄等目標(biāo)表面，經(jīng)溫度調(diào)節(jié)完成原位凝膠化，實現(xiàn)與不規(guī)則基底實現(xiàn)無間隙貼合，從源頭解決界面空隙與移位問題（圖1）。IAB以甘油/水二元溶劑為基質(zhì)，兼顧流動性與長期穩(wěn)定性；整合明膠、磺化木質(zhì)素（LS）、MXene、抗壞血酸（AA）四種核心成分，實現(xiàn)強黏附、高導(dǎo)電、抗氧化和類皮膚機械性能四大特性。
通過紅外熱成像和流變測試發(fā)現(xiàn)，IAB在20.4-50.7 oC之間能實現(xiàn)“加熱變液態(tài)、冷卻成凝膠”的可逆變化，這種轉(zhuǎn)換主要靠明膠的氫鍵作用實現(xiàn)，而且加入磺化木質(zhì)素后，凝膠狀態(tài)更穩(wěn)定，更適合在目標(biāo)表面現(xiàn)場成型；借助紅外光譜測試證實，木質(zhì)素會通過氫鍵和靜電作用與MXene結(jié)合，讓材料內(nèi)部結(jié)合更緊密；另外，添加抗壞血酸（AA）能讓MXene層間距變大，還能減少其氧化，保證材料性能穩(wěn)定（圖2）。整體來看，IAB的熱可逆溶膠-凝膠特性，使其能在目標(biāo)表面完成原位凝膠化過程，達(dá)到優(yōu)異的粘附性和穩(wěn)定性。
圖2 IAB原位膠凝及抗氧化穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)表征及機理研究。
通過力學(xué)測試探究木質(zhì)素含量對IAB機械性能的影響（圖3），發(fā)現(xiàn)隨木質(zhì)素含量優(yōu)化，IAB的斷裂應(yīng)力與應(yīng)變顯著提升，且展現(xiàn)出缺口不敏感特性，經(jīng)多循環(huán)拉伸、壓縮后仍保持結(jié)構(gòu)完整與力學(xué)穩(wěn)定性，同時具備優(yōu)異的拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等形變耐受性；借助熱循環(huán)與長期暴露實驗，結(jié)合阻抗監(jiān)測，證實添加抗壞血酸（AA）的IAB能有效抑制 MXene氧化，在多次熱循環(huán)與長期放置后阻抗變化小，抗氧化穩(wěn)定性突出；通過性能對比可見，與純明膠水凝膠相比，IAB在機械韌性、導(dǎo)電性能與穩(wěn)定性上均有顯著提升，其協(xié)同增強效應(yīng)為動態(tài)傳感應(yīng)用提供可靠保障。
圖3卓越的機械魯棒性和抗氧化穩(wěn)定性。
通過界面觀測與對比實驗，證實原位黏附生物凝膠（IAB）可在豬皮、弧形/錐形等不規(guī)則基底表面實現(xiàn)無縫貼合，無界面空隙；而非原位水凝膠（EB）因預(yù)制結(jié)構(gòu)限制，易出現(xiàn)界面剝離與空隙，且IAB在皮膚動態(tài)壓縮、扭轉(zhuǎn)過程中仍能保持穩(wěn)定黏附，EB 則易發(fā)生邊緣翹起（圖4）。借助黏附性能測試，發(fā)現(xiàn)IAB對紙張、塑料、金屬、豬皮等多種基材均具備高黏附強度，且經(jīng)多次黏附循環(huán)后性能衰減微弱，長期反復(fù)貼合皮膚仍能保留 60% 以上初始黏附力，同時在汗液、水流環(huán)境下黏附穩(wěn)定性優(yōu)異。通過細(xì)胞毒性實驗、皮下植入實驗及水蒸氣透過率測試驗證，IAB具有良好生物相容性，對細(xì)胞增殖無抑制作用，植入后無明顯炎癥反應(yīng)，且水蒸氣透過率遠(yuǎn)高于人體皮膚，可避免佩戴時皮膚不適，為長期表皮應(yīng)用提供生物安全性保障。
圖4 IAB的原位組織粘附和生物相容性。
通過阻抗測試與性能表征，明確原位黏附生物凝膠（IAB）基壓阻傳感器的核心工作機制（圖5）：外力作用下IAB形變促使內(nèi)部離子遷移，增加導(dǎo)電通路接觸位點，實現(xiàn)電阻動態(tài)變化。該傳感器檢測范圍覆蓋10 Pa至50 kPa，低壓力區(qū)間與高壓力區(qū)間分別呈現(xiàn)對應(yīng)靈敏度，可精準(zhǔn)捕捉從輕微觸碰至劇烈運動的壓力信號；響應(yīng)時間與恢復(fù)時間分別低至30 ms、40 ms，遠(yuǎn)超人體皮膚感知速度，且在高壓力基底上仍能識別100 Pa的細(xì)微壓力增量，壓力分辨率優(yōu)異。經(jīng)穩(wěn)定性測試驗證，傳感器在10000次循環(huán)壓縮后信號無明顯衰減，持續(xù)承受恒定壓力4小時仍保持穩(wěn)定輸出，無基線漂移，信號穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)非原位凝膠（EB）基傳感器。基于IAB構(gòu)建的 4×4 壓阻傳感器陣列，通過圖案化電極設(shè)計實現(xiàn)均勻電流分布，可精準(zhǔn)還原字母圖案的壓力輪廓，且在單點、多點壓力刺激下能清晰呈現(xiàn)壓力分布熱力圖，無信號串?dāng)_，具備優(yōu)異的空間壓力映射能力，為動態(tài)多區(qū)域壓力監(jiān)測提供支撐。
圖5 基于IAB的電阻式動態(tài)多點壓力傳感器的設(shè)計與性能評價。
基于IAB構(gòu)建的壓阻傳感器及4×4傳感陣列，檢測范圍覆蓋10 Pa至50 kPa，響應(yīng)速度快（30 ms）、循環(huán)穩(wěn)定性強（10000 次無衰減），且能精準(zhǔn)實現(xiàn)空間壓力映射。將其集成于智能羽毛球拍并結(jié)合CNN-LSTM-Attention 算法，對四種擊球姿勢識別準(zhǔn)確率達(dá) 93.75%，驗證了實用價值（圖6）。該研究為下一代表皮電子設(shè)備提供新型生物界面方案，有望拓展至智能體育、精準(zhǔn)醫(yī)療、人機交互等多領(lǐng)域，同時為解決動態(tài)場景下傳感適配性與穩(wěn)定性問題提供新思路。
圖6 智能羽毛球運動檢測的機器學(xué)習(xí)集成
該研究以“Mechanically Compliant and Stable Hydrogel Interfaces for Long-Term Dynamic Pressure Detection Toward Intelligent Sports Training”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上，文章第一作者是北京林業(yè)大學(xué)博士研究生朱弘楠和北京口腔醫(yī)院余文婷博士，通訊作者是山東理工大學(xué)郝三偉副教授、北京口腔醫(yī)院白玉興教授、張寧教授和北京林業(yè)大學(xué)楊俊教授，此項研究得到了中央高；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金和北京市自然科學(xué)基金-海淀原始創(chuàng)新聯(lián)合基金等經(jīng)費支持。
楊俊教授課題組長期致力于天然高分子基生物電子界面材料的創(chuàng)新設(shè)計，實現(xiàn)生理活動信號準(zhǔn)確傳遞、與人體組織緊密貼合和多模態(tài)電子器件集成，推動生物質(zhì)材料在柔性電子材料的廣泛應(yīng)用。近年來以通訊作者在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Energ. Environ. Sci.、Nano-Micro Lett.、Adv. Funct. Mater.和ACS Nano等期刊上圍繞纖維素和木質(zhì)素等天然高分子在凝膠材料界面作用及其在柔性傳感器應(yīng)用探索等方面研究發(fā)表一系列研究工作。歡迎2026屆研究生加入，有意者請聯(lián)系yangjun11@bjfu.edu.cn，期待與您共同進步！
論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202522847
