研究背景

在柔性傳感與健康監測領域，實現寬壓力范圍、超高靈敏度與長期信號穩定性一直是技術難點。傳統傳感器在高負載下易出現結構硬化與信號漂移，限制了其在動態生物力學監測中的可靠應用。盡管已有研究通過微結構或梯度設計提升性能，但多數仍面臨制備復雜、界面不穩定或反應不均等挑戰。

文章簡介

近日，中國科學院重慶綠色智能技術研究院、重慶大學等機構的研究團隊在《ACS Sensors》上發表最新研究。

該團隊受人體皮膚梯度模量結構啟發，提出了一種梯度模量離子電子傳感器（GMIS），通過將微結構離子凝膠與玻璃纖維增強基質結合，僅用兩層結構即實現了0–3 MPa寬壓域下的超高靈敏度（2904 kPa?1）與低信號漂移（11.8%）。該傳感器在動態負荷下表現出優異的穩定性，并可與卷積神經網絡（CNN）結合，實現對踝關節力矩的高精度預測，相關系數超過0.91。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acssensors.5c02354

研究內容 01 梯度模量結構與工作機制

GMIS采用自上而下的模量梯度設計，軟層優先變形以擴大接觸面積，硬層逐步承壓，延緩結構硬化，提升靈敏度與動態范圍。

Fig. 1.GMIS的結構設計與工作機制

02

玻璃纖維增強與抗漂移機制

玻璃纖維與PVA鏈形成強氫鍵網絡，顯著抑制粘彈性蠕變，將信號漂移從均勻結構的62.28%降至11.8%，提升長期穩定性。

Fig. 2. GMIS結構與力學性能表征

03 傳感性能與動態響應

GMIS在0–100 kPa范圍內靈敏度達2904 kPa?1，約為均勻結構的兩倍；響應時間260 ms，恢復時間78 ms，適用于實時監測。

Fig. 3.GMIS的傳感性能

04 多場景生理信號監測

成功應用于脈搏、肌肉活動、吞咽、指關節彎曲等生理信號的實時檢測，并構建八通道壓力鞋墊系統，結合CNN實現踝關節力矩的動態預測。

Fig. 4. GMIS在人體運動信號監測中的應用

05 性能驗證

在100 kPa下循環15000次仍保持穩定；

在3 MPa下循環3000次響應僅衰減8.5%；

CNN預測踝關節力矩的Pearson相關系數達0.91–0.93（行走/跑步）與0.87–0.91（跳躍）；

溫濕度變化下信號波動可控，具備良好環境適應性。

Fig. 5. 基于GMIS的壓力鞋墊系統與步態分析

結論與展望

本研究提出了一種基于皮膚啟發的梯度模量離子電子傳感器，通過材料與結構創新，成功實現了寬壓域、高靈敏度與低漂移的協同。GMIS具備制備簡單、成本低、可擴展等優勢，適用于運動康復、步態分析與長期健康監測，為下一代可穿戴生物力學傳感器提供了可行的材料與系統級解決方案。

來源：FlexFrontiers