蘇炳添發(fā)表Cell子刊論文：系統(tǒng)解讀各向異性水凝膠解碼運動監(jiān)測中的多維信號

編譯丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

在體育競賽、康復訓練以及多功能電子皮膚的需求驅(qū)動下，用于持續(xù)實時監(jiān)測復雜活動的可穿戴水凝膠傳感器正在被設計和開發(fā)。仿生設計的各向異性水凝膠傳感器（Anisotropic Hydrogel Sensor，AHS）能夠?qū)碗s的運動信息與多尺度傳感解耦，為提高運動監(jiān)測效率提供了一種很有前景的方法。

2026 年 2 月 18 日，暨南大學化學與材料科學學院李風煜教授、暨南大學體育學院蘇炳添教授作為共同通訊作者（吳媛媛為論文第一作者），在 Cell 子刊Cell Reports Physical Science上發(fā)表了題為：Multidimensional Signal Decoding via Anisotropic Hydrogels for Motion Monitoring 的綜述論文。

該綜述論文回顧了用于運動監(jiān)測的各向異性水凝膠傳感器（AHS）的最新進展，系統(tǒng)地介紹了各向異性水凝膠的材料類型和性能調(diào)優(yōu)策略，其中性能調(diào)優(yōu)主要涉及界面和機械設計、有針對性地優(yōu)化電學性能以及協(xié)同調(diào)控多種功能。該綜述還總結(jié)了各向異性水凝膠的各種合成方法（包括冰模板法、3D 打印、靜電紡絲和分子自組裝），還從多尺度的角度深入探討了各向異性水凝膠傳感器（AHS）在運動傳感中的應用，并探討了 AHS 所面臨的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展方向。

人體運動是生物體內(nèi)最為復雜和精妙的生物力學過程之一。其產(chǎn)生的多維信號貫穿各個層面，從基本的生理狀態(tài)到高級的神經(jīng)調(diào)節(jié)。對這些信號的精確監(jiān)測在競技體育、運動康復、人機交互以及高級診斷等領域具有至關(guān)重要的意義。因此，通過可穿戴設備實現(xiàn)連續(xù)、實時監(jiān)測的需求日益增長，以提升運動表現(xiàn)和評估健康狀況。同時，人體生物系統(tǒng)（如肌肉、皮膚和關(guān)節(jié)軟骨）呈現(xiàn)出獨特的層級結(jié)構(gòu)，各向異性的取向延伸至宏觀尺度。例如，肌肉收縮機制依賴于肌節(jié)內(nèi)肌動蛋白和肌球蛋白的各向異性排列。這種有序結(jié)構(gòu)對于產(chǎn)生獨特的各向異性功能至關(guān)重要，比如定向運動和減震。

在人類眾多的生理感知機制中，電生理信號能夠?qū)?nèi)部組織或器官的狀態(tài)做出快速反應。然而，傳統(tǒng)的剛性電子傳感器由于機械模量不匹配、舒適度差以及無法捕捉微生理信號等固有缺陷，難以滿足下一代可穿戴設備的需求。柔性電子技術(shù)的出現(xiàn)，尤其是基于水凝膠的傳感器，為這一難題提供了極具前景的解決方案。

水凝膠是由親水性聚合物構(gòu)成的 3D 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，具有足夠的柔韌性，可像天然組織一樣發(fā)揮作用。由于其高含水量、出色的生物相容性和類似組織的機械性能，水凝膠被視為構(gòu)建“電子皮膚”的理想材料。然而，絕大多數(shù)水凝膠傳感器采用各向同性設計，其中隨機的聚合物網(wǎng)絡在各個方向上具有相同的物理性質(zhì)，這限制了它們在監(jiān)測復雜運動方面的應用。這往往會導致信號耦合失真和高誤識別率。此外，它們的機械性能與天然各向異性的人體組織不匹配，容易引起界面應力集中。這會導致運動偽影和穿戴不適。

因此，各向異性水凝膠（在不同空間方向上具有不同的物理化學性質(zhì)）正成為解決這些挑戰(zhàn)的關(guān)鍵策略。通過模仿生物組織的有序微觀結(jié)構(gòu)，各向異性水凝膠在機械和電學性能上實現(xiàn)了方向依賴性，為運動信號的方向捕獲和分離分析提供了物理基礎。

受線性排列的肌肉纖維以及通過氫鍵實現(xiàn)的層狀束交聯(lián)的啟發(fā)，人體肌肉展現(xiàn)出卓越的機械性能和各向異性。該綜述圖示說明了肌肉纖維排列、各向異性水凝膠設計與運動監(jiān)測之間的關(guān)系，闡明了各向異性水凝膠的仿生設計原理及其在提高運動監(jiān)測效率方面的關(guān)鍵作用。越來越多具有定向內(nèi)部網(wǎng)絡的各向異性水凝膠被制造出來。它們的有序結(jié)構(gòu)賦予了各向異性功能特性。當集成到運動監(jiān)測設備中時，這些各向異性水凝膠能夠?qū)崿F(xiàn)有效的信號解耦（例如區(qū)分不同方向的運動），從而提高運動信號采集和分析的準確性和可靠性。因此，該綜述從四個維度總結(jié)了各向異性水凝膠傳感器（AHS）在運動監(jiān)測方面的最新進展。首先，基于其各向異性形成機制和核心功能組件探討了用于運動監(jiān)測的 AHS 的材料類型。其次，研究了性能調(diào)優(yōu)策略以及相應的制造方法，以滿足復雜的運動監(jiān)測需求，并重點關(guān)注了 AHS 的多尺度應用，例如微生理信號采集、關(guān)節(jié)運動分析和現(xiàn)場運動監(jiān)測。最后，概述了 AHS 的未來發(fā)展方向。

AHS 的仿生設計和運動監(jiān)測

AHS 的材料類型、設計策略及多尺度應用

過去二十年各向異性水凝膠材料的發(fā)展

各向異性水凝膠的結(jié)構(gòu)

在 AHS 中的界面以及機械、電學和協(xié)同的多重性能

AHS 的制造

用于運動監(jiān)測的 AHS 中微生理信號的捕獲

AHS 用于關(guān)節(jié)運動分析

動態(tài)環(huán)境中基于 AHS 的運動監(jiān)測

通過超越傳統(tǒng)各向同性材料的功能局限性，各向異性水凝膠傳感器（AHS）能夠?qū)崿F(xiàn)復雜運動信息的定向解碼和多尺度感知，推動可穿戴電子產(chǎn)品從“感知”向“認知”發(fā)展。該綜述回顧了各向異性水凝膠開發(fā)的最新進展及其在運動傳感中的應用。按材料類型、性能調(diào)節(jié)和制造策略對各向異性水凝膠進行了分類。詳細討論了 AHS 在運動傳感中的多尺度應用。這一研究領域為未來的發(fā)展提供了重大機遇，同時也面臨著重大挑戰(zhàn)：首先，要在機械性能和功能兼容性之間取得平衡?，F(xiàn)有的方法通過引入配位網(wǎng)絡或納米填料來增強機械強度，但過度交聯(lián)可能會損害離子導電性。例如，動態(tài)氫鍵和拓撲纏結(jié)實現(xiàn)了低滯后和高韌性，但還需要進一步探索以增強耐疲勞性，同時保持高靈敏度。逐層組裝的多層水凝膠可能會因界面結(jié)合不足而分層。

此外，各向異性調(diào)節(jié)的精度和穩(wěn)定性還需要進一步協(xié)調(diào)。盡管 Janus 表面（在同一材料或結(jié)構(gòu)的兩個相對面或區(qū)域內(nèi)，具有截然不同的化學組成、物理性質(zhì)或功能）設計實現(xiàn)了高達 1.12×105 的導電各向異性，但在復雜運動中保持穩(wěn)定的定向響應仍具挑戰(zhàn)性。例如，預拉伸誘導的取向結(jié)構(gòu)在長期循環(huán)加載下可能會松弛，導致靈敏度下降。此外，雖然電場或磁場等外部刺激可以調(diào)節(jié)各向異性，但它們可能會導致材料降解或電化學副反應。第三，在復雜環(huán)境中的信號可靠性仍是一個問題。水下運動監(jiān)測面臨膨脹和離子干擾問題，環(huán)境因素可能會產(chǎn)生機械噪聲。皮膚與傳感器界面的粘附不足會導致信號漂移。

最后，制造工藝面臨可擴展性瓶頸。靜電紡絲和 3D 打印等技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)控制，但復雜的工藝限制了大規(guī)模生產(chǎn)的效率。先進可穿戴健康系統(tǒng)的發(fā)展處于材料創(chuàng)新、智能傳感和應用進步的交匯點。未來的突破必須聚焦于兩項核心技術(shù)，即多物理場協(xié)同調(diào)控和跨尺度結(jié)構(gòu)設計，同時加強從材料到器件再到系統(tǒng)的全鏈條優(yōu)化。通過整合自修復、可生物降解和多模態(tài)傳感功能，這些先進可穿戴健康系統(tǒng)有望在運動醫(yī)學、競技體育和老齡化健康管理等領域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模應用，最終推動柔性電子與精準醫(yī)療的深度融合。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(26)00023-8