科研進展
蘭州化物所低約束可穿戴傳感器貼片研究獲新進展
隨著人工智能的快速發(fā)展，人機交互正從傳統(tǒng)的點按、滑動操作模式邁向更加自然、智能與沉浸式的具身交互（EHMI）新階段。水凝膠以其類皮膚柔韌性與優(yōu)異生物相容性等特征在柔性壓阻傳感領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，兩個關(guān)鍵問題仍困擾該領(lǐng)域的快速發(fā)展，高性能雙交聯(lián)水凝膠的光固化3D打印高精度制造受“一釜兩步”制備過程限制，存在初始共價交聯(lián)密度過高、導(dǎo)電填料吸光抑制聚合等固有缺陷，導(dǎo)致水凝膠傳感器在機械柔順性與傳感性能之間難以實現(xiàn)協(xié)同提升；高密度傳感陣列布設(shè)不可避免地引入機械約束與穿戴負荷，損害了佩戴舒適性并限制了生理活動，而通過降低傳感陣列密度或簡化結(jié)構(gòu)又會因傳感維度不足而損失關(guān)鍵信號。
針對上述問題，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點實驗室功能潤滑材料課題組與多家單位展開合作研究，將類芬頓反應(yīng)與光固化3D打印技術(shù)相結(jié)合，以異丙苯基二茂鐵六氟銻酸鹽為光引發(fā)劑，同步觸發(fā)自由基與陽離子雙重光聚合反應(yīng)，實現(xiàn)了水凝膠可打印性與功能性的協(xié)同優(yōu)化，成功制備出兼具高機械柔順性與優(yōu)異傳感性能的石墨烯-鐵離子動態(tài)配位海藻酸鈉-聚丙烯酰胺水凝膠材料（GFSP，圖1）。
該水凝膠的拉伸強度和電導(dǎo)率分別為54.19kPa和0.92S/m，靈敏度高達1.582 kPa-1，可檢測低至0.01%的微小應(yīng)變，響應(yīng)時間與恢復(fù)時間僅為14.22ms和21.56ms。同時，受蜘蛛通過蛛網(wǎng)遠程感知微弱振動信號以捕獲獵物機制的啟發(fā)，提出了一種低約束穿戴式仿生傳感策略，設(shè)計并研制出十字形水凝膠壓阻傳感貼片（LCWHSP，圖2）。該十字形仿生結(jié)構(gòu)賦予單一傳感貼片“單點多維”感知能力，可精準捕捉人體關(guān)節(jié)運動經(jīng)肌腱、筋膜及軟組織傳導(dǎo)至遠端皮膚的多維應(yīng)變特征，無需高密度、全覆蓋布設(shè)即可完整采集運動信號。該創(chuàng)新設(shè)計突破了傳統(tǒng)傳感陣列密集部署模式，在保證高精度信號采集前提下，大幅減少了傳感器數(shù)量與穿戴覆蓋密度，解決了現(xiàn)有傳感器長期佩戴舒適性不佳的問題。
在此基礎(chǔ)上，通過集成信號采集軟/硬件、深度學(xué)習(xí)智能分析模型及實際工況應(yīng)用模塊，搭建了完備的具身人機交互系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對人體靜態(tài)手勢與動態(tài)連續(xù)手勢的高精度、實時識別，準確率高達98.60%，并能穩(wěn)定完成游戲界面虛擬人物操控和智能機械臂精準作業(yè)等復(fù)雜人機交互任務(wù)（圖2），展現(xiàn)出良好的實用性與穩(wěn)定性。此外，基于GFSP的高靈敏度與快速響應(yīng)性，可將其用于摩擦振動感知領(lǐng)域，實現(xiàn)對人體關(guān)節(jié)微摩擦、弱振動等精細力學(xué)信號的感知與實時捕捉。該研究為發(fā)展自然、舒適、高效的新一代人機交互界面提供了理論和實驗支持。
上述研究成果以“Bionic Hydrogel Sensor Patches for Embodied Human-Machine Interaction: Low-Constraint Wearable Design and Applications”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials（2026; 0:e76031）上，博士生李義云為論文第一作者，李章朋副研究員和王金清研究員為共同通訊作者。相關(guān)成果申請發(fā)明專利2件（CN 202511129999.4和CN 202511499136.6），并獲軟件著作權(quán)登記1件（2025SR1896975）。
上述研究工作得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）與國家自然科學(xué)基金面上項目的支持。
圖1.光固化3D打印GFSP水凝膠制備原理
圖2.低約束可穿戴傳感器貼片（LCWHSP）結(jié)構(gòu)設(shè)計與示范應(yīng)用
