針對現有假肢控制中表面肌電（sEMG）信號難以區分單個肌肉動作、無法精準控制單個手指的痛點，國科溫州研究院陳強課題組和南京工業大學孫庚志團隊、金陵科技學院張曌團隊合作開發了一種可同時檢測機械信號與 sEMG 信號的非侵入式表皮傳感器（UHSH 傳感器）。該傳感器通過雙網絡水凝膠基底、脆性導電納米復合膜的裂紋傳感機制及點擊化學的強界面黏附設計，實現了對肌肉收縮產生的微弱機械形變（皮膚凸起）與生物電信號的同步捕捉。其機械傳感靈敏度在 10% 應變下高達 622，檢測范圍覆蓋 400%，且能穩定工作 5 萬次以上；肌電檢測界面阻抗低于 3 kΩ，信噪比達 44.7 dB。結合機器學習算法，該傳感器對單個手指動作的識別準確率達 96%，可成功控制機械假肢完成抓取、移動、釋放等精細動作，為肢體殘疾人群的假肢精準操控提供了全新解決方案，也為下一代人機交互技術發展奠定基礎。該工作由多方合作共同完成，國科溫州研究院史鑫磊助理研究員、金陵科技學院張曌博士和哈爾濱工程大學劉鑫同學為共同第一作者，孫庚志教授和陳強研究員為共同通訊作者。

前沿背景：假肢控制的 “精準化” 困境亟待突破

全球肢體殘疾人群面臨諸多生活挑戰，假肢作為改善其生活質量的關鍵輔助設備，“精準操控” 始終是研究核心 —— 能否像健康手臂一樣靈活控制單個手指，直接決定了假肢能否完成穿衣、吃飯等日常精細動作。

目前，基于表面肌電（sEMG）信號的假肢控制是主流方案，其憑借安全、舒適、低成本的優勢被廣泛應用。但核心局限始終存在：sEMG 信號是多個肌肉收縮的 “疊加信號”，無法精準定位單個肌肉的運動狀態。這導致現有假肢大多只能實現整體抓取，難以控制單個手指的獨立彎曲，極大限制了假肢的實用價值。

為解決這一問題，研究者曾嘗試提升 sEMG 信號精度（如降低電極與皮膚阻抗）或集成傳感器陣列，但前者仍無法區分單個肌肉動作，后者則增加了電路設計負擔與數據分析難度。在此背景下，“同步捕捉肌肉的生物電與機械形變信號” 的創新思路，成為突破假肢精準控制瓶頸的關鍵方向。

一、傳感器設計：三大核心創新突破雙信號檢測瓶頸

本研究的核心在于構建 “能同時‘聽’（sEMG 信號）和‘摸’（機械形變）肌肉動作” 的傳感器，通過三大設計策略實現性能突破：

1. 雙網絡水凝膠基底：兼顧柔性、導電性與保水性

傳感器基底采用Agar/P（AAm-co-GMA）雙網絡有機水凝膠，通過物理交聯（瓊脂）與化學交聯（聚丙烯酰胺網絡）結合，既具備與人體皮膚匹配的柔性（楊氏模量 0.3 MPa，接近皮膚的 0.5~1.95 MPa），又擁有優異的機械強度（斷裂伸長率 1909%）。同時，通過甘油與 NaCl 的溶劑交換，基底實現了長效保水（30 天內重量保留率超 88%）與離子導電能力，為 sEMG 信號檢測提供穩定載體。

2. 脆性導電復合膜：裂紋機制實現高靈敏度機械傳感

在水凝膠表面涂覆 AgNW（銀納米線）/MXene/BSA（牛血清白蛋白）脆性導電膜，通過 “裂紋傳感機制” 突破傳統水凝膠傳感器靈敏度低的問題：當肌肉收縮引發皮膚微變形時，脆性導電膜會產生細微裂紋，導致電阻急劇變化，從而精準捕捉微弱機械信號。這種設計使傳感器在 10% 應變下的靈敏度（GF 值）達到 622，遠超傳統水凝膠傳感器（僅 0.12），且能檢測低至 0.1% 的微小應變，足以識別肌肉收縮的細微動態。

3. 點擊化學界面：解決導電膜與基底的脫落難題

通過點擊化學反應（水凝膠表面的環氧基團與 BSA 的氨基形成 C-N 共價鍵），實現導電膜與水凝膠基底的強黏附（黏附強度達 127 kPa），確保傳感器在反復拉伸（400% 應變）與長期使用（5 萬次循環）中，導電層不脫落、信號不中斷，解決了柔性傳感器常見的 “層間分離” 失效問題。

圖1. 超高敏感性水凝膠基機械 / 表面肌電信號傳感器示意圖

圖2.超高應變敏感性水凝膠基（UHSH）傳感器的表征

圖3. UHSH 傳感器的應變傳感性能

二、性能驗證：機械與肌電傳感 “雙優”，滿足實用需求

1. 機械傳感性能：靈敏、穩定、抗干擾

高靈敏度與寬檢測范圍 除 10% 應變下 GF 值 622 外，傳感器最大檢測范圍達 400%，可覆蓋從手指微屈到手臂大幅動作的全場景形變；

超長穩定性 在 100% 應變下循環拉伸 5 萬次后，電阻變化峰值與基線仍保持穩定，無明顯衰減；

抗干擾能力 拉伸狀態下（400% 應變）界面阻抗僅增加不到 4 倍，避免機械形變對 sEMG 信號檢測的干擾，確保雙信號獨立可靠。

2. 肌電傳感性能：低阻抗、高信噪比

傳感器基底的離子導電性使其與皮膚界面阻抗低于 3 kΩ，遠低于傳統電極（通常數十 kΩ），可有效減少信號損耗；同時，44.7 dB 的高信噪比確保 sEMG 信號清晰，即使是肌肉輕微收縮產生的微弱信號也能被精準捕捉。此外，細胞毒性實驗顯示，傳感器與細胞共培養 24 小時后細胞存活率超 80%，具備良好生物相容性，可長期貼膚使用。

三、潛在應用：從 “信號識別” 到 “假肢操控” 的全鏈條驗證

1. 精準識別單個手指動作：雙信號的協同優勢

人體手指彎曲主要由指淺屈?。‵DS）控制，不同手指對應 FDS 的不同區域 —— 肌肉收縮時，對應皮膚會產生特定的機械形變（凸起 / 凹陷）與 sEMG 信號。UHSH 傳感器通過同步捕捉這兩種信號：

機械信號反映皮膚形變的 “位置與幅度”，sEMG 信號反映肌肉收縮的 “強度”；

結合兩者差異，可精準區分 “拇指伸展”“食指彎曲”“中指彎曲” 等 5 種典型動作，解決了單一 sEMG 信號無法定位單個肌肉的難題。

2. 機器學習賦能：動作識別準確率達 96%

研究團隊構建了包含輸入層、隱藏層、自適應軟閾值層的機器學習模型，將雙信號數據（sEMG 的頻率域特征 + 機械信號的電阻均值）輸入模型訓練。最終在驗證集上，單個手指動作的識別準確率達 96%，且對不同個體的適應性良好，為批量應用提供可能。

3. 假肢操控實戰：完成精細抓取動作

通過將 UHSH 傳感器貼附于殘肢的 FDS 區域，傳感器可實時將雙信號傳輸至假肢控制系統。實驗顯示，該系統能精準復刻殘肢者的動作意圖，控制機械假肢完成 “抓取小球”“拿起鋼筆”“釋放物品” 等精細動作，動作響應延遲低，穩定性強，真正實現了假肢從 “粗控” 到 “精控” 的跨越。

圖4. UHSH 傳感器結構、測試區域及信號檢測性能圖

圖5. 手指彎曲運動控制機制、機器學習算法及假肢操控演示圖

小結

本研究以 “解決假肢精準操控痛點” 為核心，提出了 “機械 + sEMG 雙信號同步檢測” 的創新策略，通過三大設計突破（雙網絡水凝膠基底、裂紋傳感導電膜、點擊化學界面），成功開發出性能卓越的 UHSH 傳感器。該傳感器不僅在技術上實現了 “單傳感器實現雙信號精準檢測” ，更在應用上基于非侵入式傳感器的單個手指假肢控制，為肢體殘疾人群帶來了更貼近自然的假肢操控體驗。

未來，隨著該技術與人工智能、大數據的深度融合，其應用場景有望進一步拓展至智能健康監測（如肌肉疾病早期預警）、運動康復輔助（如術后動作矯正）等領域，為人體工學與醫療康復的交叉創新提供新路徑。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.169648

來源：高分子凝膠與網絡