水凝膠在可穿戴傳感領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，但往往存在機(jī)械性能低、保水性差、靈敏度低、功能單一等問(wèn)題。在此，該工作提出了一種基于水凝膠的柔性多模態(tài)接近/壓力/溫度電子皮膚（H-PPT），用于監(jiān)測(cè)人類(lèi)睡眠行為的健康管理系統(tǒng)。
近期，濟(jì)大王鵬博士/山大李陽(yáng)教授/河北工大孟垂舟教授/青島大學(xué)姚釗副教授聯(lián)合在Nano-Micro Letters上發(fā)表了題為“A Flexible-Integrated Multimodal Hydrogel-Based Sensing Patch” 的研究成果。濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院青年英才崗?fù)貔i博士與濟(jì)南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生王國(guó)慶為該論文共同第一作者，該論文提出了一種基于水凝膠的柔性多模態(tài)接近/壓力/溫度電子皮膚（H-PPT），水凝膠具有良好的機(jī)械性能以及保水性，用以確保傳感性能的穩(wěn)定。水凝膠層實(shí)現(xiàn)了0.5 ℃?1的溫度傳感靈敏度。由于離子超電容傳感機(jī)制，該壓力傳感器在1 kPa的低壓時(shí)具有30.6 kPa-1的高靈敏度，在40 kPa的高壓時(shí)具有26.3 kPa-1的高靈敏度，響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間為5.6 ms，并且得益于在摩擦電聚偏氟乙烯(PVDF)摩擦層中引入二維MXene，該非接觸式傳感器具有超過(guò)2 m的超寬非接觸式檢測(cè)范圍和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
圖1 應(yīng)用在人體睡眠監(jiān)測(cè)的水凝膠基接近/壓力/溫度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與表征. (A) 水凝膠基壓力-溫度傳感器的制備流程以及內(nèi)部所含有的離子交聯(lián)結(jié)構(gòu). (B) 接近/壓力/溫度傳感器的3維結(jié)構(gòu)、功能、應(yīng)用以及實(shí)物圖展示. (C) 水凝膠的FTIR光譜分析. (D) 水凝膠的拉曼光譜分析. (E) 水凝膠可以被制作成蝴蝶、寵物犬、火烈鳥(niǎo)等各種形狀，以及水凝膠的拉伸性展示.
為了增強(qiáng)傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度，通過(guò)圖形轉(zhuǎn)移方法在水凝膠的表面制作了球形體微結(jié)構(gòu)。微結(jié)構(gòu)的存在減小了初始接觸面積，這些結(jié)構(gòu)在傳感過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用。通過(guò)COMSOL軟件進(jìn)行了仿真，模擬了施加壓力過(guò)程中的傳感器行為，通過(guò)仿真分析，觀察到壓力施加在水凝膠表面時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化和應(yīng)力分布。傳感器在1 kPa的低壓力下靈敏度為30.6 kPa?1，在40 kPa高壓力下靈敏度為26.3 kPa?1，且響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間小于5.6 ms？梢赃M(jìn)行25 Pa和50 Pa的微小壓力檢測(cè)。（圖3）。
圖3 壓力傳感器的性能特點(diǎn)以及機(jī)制. (A) 水凝膠壓力傳感層的表面微結(jié)構(gòu)SEM圖像表征. (B) COMSOL仿真施加壓力過(guò)程. (C) 壓力傳感器的靈敏度曲線(xiàn). (D) 壓力傳感器的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間. (E) 傳感器的最低檢測(cè)限. (F) 不同頻率負(fù)載下的信號(hào)變化. (G) 不同溫度下對(duì)傳感器的壓力性能的影響. (H) 不同壓力下對(duì)溫度傳感性能的影響. (I) 與目前已報(bào)道的工作進(jìn)行性能的比較. (J) 用手去抓握裝有不同含量水的杯子.
圖4 接近式傳感層的性能特點(diǎn)以及機(jī)理. (A) 摩擦電接近式傳感層垂直模式的工作原理示意圖. (B) 使用直線(xiàn)電機(jī)將接近式傳感層與不同種類(lèi)材料進(jìn)行碰撞摩擦測(cè)試. (C) 接近式傳感層與不同種類(lèi)材料的測(cè)試電壓對(duì)比. (D) 接近式傳感層與尼龍材料進(jìn)行電流測(cè)試. (E) 傳感層與尼龍材料進(jìn)行電荷測(cè)試. (F) 傳感層與尼龍材料進(jìn)行電壓測(cè)試. (G) 不同的溫度下對(duì)測(cè)試電壓的影響. (H) 測(cè)試電壓隨著相隔距離的增加而減小. (I) 接近式傳感的COMSOL仿真測(cè)試. (J) 不同負(fù)載下的峰值功率. (K) 不同測(cè)試頻率下的電壓變化.
圖5 機(jī)械手模擬現(xiàn)實(shí)中的多模態(tài)傳感. (A) 機(jī)械電信號(hào)與神經(jīng)信號(hào)的概念圖. (B) 三種傳感模態(tài)信號(hào)的特征. (C) 機(jī)械手模擬初始-接近-接觸-遠(yuǎn)離四種狀態(tài). (D) 在初始-接近-接觸-遠(yuǎn)離四種狀態(tài)下的三種模態(tài)傳感的信號(hào)變化. (E)接近/壓力/溫度三種不同信號(hào)變化進(jìn)行結(jié)合，并進(jìn)行多次循環(huán)測(cè)試.
圖6 應(yīng)用在人體睡眠監(jiān)測(cè)的多模態(tài)傳感綜合系統(tǒng). (A) 三個(gè)多模態(tài)傳感器分別貼在枕頭不同位置，預(yù)防潛在的健康風(fēng)險(xiǎn). (B) 人體躺下時(shí)多模態(tài)傳感器的信號(hào)響應(yīng). (C) 人體向右側(cè)轉(zhuǎn)身時(shí)多模態(tài)傳感器的信號(hào)響應(yīng). (D) 人體向左側(cè)轉(zhuǎn)身時(shí)多模態(tài)傳感器的信號(hào)響應(yīng). (E) 人體分別在躺下、起床、打鼾、右側(cè)轉(zhuǎn)身和左側(cè)轉(zhuǎn)身等五種睡眠狀態(tài)下的傳感器的信號(hào)變化. (F)五種不同睡眠狀態(tài)使用1D CNN訓(xùn)練，識(shí)別成功率97.6%.
作者介紹
王鵬：濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教師，碩士生導(dǎo)師，校聘青年英才崗，研究方向?yàn)槿嵝詡鞲衅鳎攸c(diǎn)突破柔性傳感在實(shí)用化過(guò)程中遇到的傳感材質(zhì)柔彈性差、傳感器件靈敏度低和可穿戴性差等瓶頸問(wèn)題，并取得了一定的研究成果與獎(jiǎng)勵(lì)。以第一作者/通訊作者在領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外重要期刊Nano Micro Letters、InfoMat、Advanced Fiber Materials、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、Advanced Electronic Materials、Advanced Materials Interfaces、Nanoscale等發(fā)表論文33篇，包括17篇中科院一區(qū)Top期刊，2篇ESI前1%高被引論文；申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利17項(xiàng)，授權(quán)4項(xiàng)；獲得天津市創(chuàng)新獎(jiǎng)學(xué)金1次（2022年），天津市王克昌文化科技獎(jiǎng)學(xué)金1次，博士研究生國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金2次（2021年與2022年）；河北省優(yōu)秀研究生畢業(yè)生1次（2023年），河北工業(yè)大學(xué)優(yōu)秀博士論文（2024年），河北工業(yè)大學(xué)學(xué)術(shù)之星1次（2022年）；多次參加學(xué)術(shù)會(huì)議并做分會(huì)場(chǎng)報(bào)告。個(gè)人主頁(yè)：https://faculty.ujn.edu.cn/wangpeng1/zh_CN/index/149227/list.
李陽(yáng)：山東大學(xué)集成電路學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，IEEE高級(jí)會(huì)員，科技部中韓青年科學(xué)家、山東省泰山學(xué)者青年專(zhuān)家、山東省高校集成電路創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人、山東省優(yōu)青、山東省青年科技人才托舉工程入選者、齊魯青年學(xué)者，主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、科技部項(xiàng)目、山東省優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等省部級(jí)以上項(xiàng)目10余項(xiàng)。主要研究領(lǐng)域：新一代半導(dǎo)體材料與器件；“傳感存算一體化”芯片系統(tǒng)。已累計(jì)發(fā)表SCI檢索論文100余篇，其中以第一作者/通訊作者在Chem. Soc. Rev.、Matter、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、IEEE Trans. Electron, Dev. 等領(lǐng)域內(nèi)頂尖期刊上發(fā)表中科院一區(qū)文章45篇，包含封面文章10篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利15項(xiàng)，韓國(guó)發(fā)明專(zhuān)利11項(xiàng)。
孟垂舟：河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院特聘教授，博士生導(dǎo)師。國(guó)家海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃青年特聘專(zhuān)家、河北省海外高層次青年人才、河北省僑聯(lián)僑界專(zhuān)家委員會(huì)委員。清華大學(xué)物理學(xué)學(xué)士、博士學(xué)位，曾任職美國(guó)普渡大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系博士后研究員、美國(guó)IBM半導(dǎo)體研發(fā)中心高級(jí)工程師、新奧集團(tuán)能源研究院石墨烯/儲(chǔ)能/能源新材料等技術(shù)中心主任。長(zhǎng)期從事新型納米材料和高分子彈性體的制備研究，以及其在能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)、生物醫(yī)學(xué)傳感、柔性電子皮膚、可穿戴健康設(shè)備、和健康護(hù)理裝備上的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。
姚釗：青島大學(xué)電子信息學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師。從事射頻無(wú)源集成器件與電路、射頻生物傳感器及新型柔性電子器件的研究。發(fā)表高水平論文50余篇；出版英文著作1部；授權(quán)中國(guó)和韓國(guó)發(fā)明專(zhuān)利14項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化1項(xiàng)。目前主持國(guó)家自然科學(xué)基金2項(xiàng)，科技部中韓青年科學(xué)家交流計(jì)劃項(xiàng)目1項(xiàng)，山東省高等學(xué)校青創(chuàng)團(tuán)隊(duì)、山東省自然基金、山東省高？蒲杏(jì)劃項(xiàng)目3項(xiàng)，教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目5項(xiàng)。入選科技部中韓青年科學(xué)家，山東省高等學(xué)校智能生物傳感交叉研究青創(chuàng)團(tuán)隊(duì)帶頭人，IEEE高級(jí)會(huì)員，IEEE青島分會(huì)副主席，山東生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)康復(fù)工程專(zhuān)委會(huì)委員。
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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