系統(tǒng)解讀各向異性水凝膠解碼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)中的多維信號(hào)

原標(biāo)題：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(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)中的多維信號(hào)

在體育競(jìng)賽、康復(fù)訓(xùn)練以及多功能電子皮膚的需求驅(qū)動(dòng)下，用于持續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)復(fù)雜活動(dòng)的可穿戴水凝膠傳感器正在被設(shè)計(jì)和開發(fā)。仿生設(shè)計(jì)的各向異性水凝膠傳感器（Anisotropic Hydrogel Sensor，AHS）能夠?qū)?fù)雜的運(yùn)動(dòng)信息與多尺度傳感解耦，為提高運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)效率提供了一種很有前景的方法。

2026 年 2 月 18 日，暨南大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院李風(fēng)煜教授、暨南大學(xué)體育學(xué)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(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的各向異性水凝膠傳感器（AHS）的最新進(jìn)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(jī)械設(shè)計(jì)、有針對(duì)性地優(yōu)化電學(xué)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(yùn)動(dòng)傳感中的應(yīng)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(yùn)動(dòng)是生物體內(nèi)最為復(fù)雜和精妙的生物力學(xué)過程之一。其產(chǎn)生的多維信號(hào)貫穿各個(gè)層面，從基本的生理狀態(tài)到高級(jí)的神經(jīng)調(diào)節(jié)。對(duì)這些信號(hào)的精確監(jiān)測(cè)在競(jìng)技體育、運(yùn)動(dòng)康復(fù)、人機(jī)交互以及高級(jí)診斷等領(lǐng)域具有至關(guān)重要的意義。因此，通過可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求日益增長(zhǎng)，以提升運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)和評(píng)估健康狀況。同時(shí)，人體生物系統(tǒng)（如肌肉、皮膚和關(guān)節(jié)軟骨）呈現(xiàn)出獨(dú)特的層級(jí)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(jī)制依賴于肌節(jié)內(nèi)肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白的各向異性排列。這種有序結(jié)構(gòu)對(duì)于產(chǎn)生獨(dú)特的各向異性功能至關(guān)重要，比如定向運(yùn)動(dòng)和減震。

在人類眾多的生理感知機(jī)制中，電生理信號(hào)能夠?qū)?nèi)部組織或器官的狀態(tài)做出快速反應(yīng)。然而，傳統(tǒng)的剛性電子傳感器由于機(jī)械模量不匹配、舒適度差以及無法捕捉微生理信號(hào)等固有缺陷，難以滿足下一代可穿戴設(shè)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(luò)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(jī)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(shè)計(jì)，其中隨機(jī)的聚合物網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)方向上具有相同的物理性質(zhì)，這限制了它們?cè)诒O(jiān)測(cè)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)方面的應(yīng)用。這往往會(huì)導(dǎo)致信號(hào)耦合失真和高誤識(shí)別率。此外，它們的機(jī)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(yīng)力集中。這會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)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(xué)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(jī)械和電學(xué)性能上實(shí)現(xiàn)了方向依賴性，為運(yùn)動(dòng)信號(hào)的方向捕獲和分離分析提供了物理基礎(chǔ)。

受線性排列的肌肉纖維以及通過氫鍵實(shí)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(jī)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(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)之間的關(guān)系，闡明了各向異性水凝膠的仿生設(shè)計(jì)原理及其在提高運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)效率方面的關(guān)鍵作用。越來越多具有定向內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)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(dāng)集成到運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備中時(shí)，這些各向異性水凝膠能夠?qū)崿F(xiàn)有效的信號(hào)解耦（例如區(qū)分不同方向的運(yùn)動(dòng)），從而提高運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集和分析的準(zhǔn)確性和可靠性。因此，該綜述從四個(gè)維度總結(jié)了各向異性水凝膠傳感器（AHS）在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方面的最新進(jìn)展。首先，基于其各向異性形成機(jī)制和核心功能組件探討了用于運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的 AHS 的材料類型。其次，研究了性能調(diào)優(yōu)策略以及相應(yīng)的制造方法，以滿足復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)需求，并重點(diǎn)關(guān)注了 AHS 的多尺度應(yīng)用，例如微生理信號(hào)采集、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。最后，概述了 AHS 的未來發(fā)展方向。

AHS 的仿生設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)

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(jī)械、電學(xué)和協(xié)同的多重性能

AHS 的制造

用于運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的 AHS 中微生理信號(hào)的捕獲

AHS 用于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析

動(dòng)態(tài)環(huán)境中基于 AHS 的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)

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(fù)雜運(yùn)動(dòng)信息的定向解碼和多尺度感知，推動(dòng)可穿戴電子產(chǎn)品從“感知”向“認(rèn)知”發(fā)展。該綜述回顧了各向異性水凝膠開發(fā)的最新進(jìn)展及其在運(yùn)動(dòng)傳感中的應(yīng)用。按材料類型、性能調(diào)節(jié)和制造策略對(duì)各向異性水凝膠進(jìn)行了分類。詳細(xì)討論了 AHS 在運(yùn)動(dòng)傳感中的多尺度應(yīng)用。這一研究領(lǐng)域?yàn)槲磥淼陌l(fā)展提供了重大機(jī)遇，同時(shí)也面臨著重大挑戰(zhàn)：首先，要在機(jī)械性能和功能兼容性之間取得平衡。現(xiàn)有的方法通過引入配位網(wǎng)絡(luò)或納米填料來增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度，但過度交聯(lián)可能會(huì)損害離子導(dǎo)電性。例如，動(dòng)態(tài)氫鍵和拓?fù)淅p結(jié)實(shí)現(xiàn)了低滯后和高韌性，但還需要進(jìn)一步探索以增強(qiáng)耐疲勞性，同時(shí)保持高靈敏度。逐層組裝的多層水凝膠可能會(huì)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(jìn)一步協(xié)調(diào)。盡管Janus 表面（在同一材料或結(jié)構(gòu)的兩個(gè)相對(duì)面或區(qū)域內(nèi)，具有截然不同的化學(xué)組成、物理性質(zhì)或功能）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 1.12×105的導(dǎo)電各向異性，但在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)中保持穩(wěn)定的定向響應(yīng)仍具挑戰(zhàn)性。例如，預(yù)拉伸誘導(dǎo)的取向結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期循環(huán)加載下可能會(huì)松弛，導(dǎo)致靈敏度下降。此外，雖然電場(chǎng)或磁場(chǎng)等外部刺激可以調(diào)節(jié)各向異性，但它們可能會(huì)導(dǎo)致材料降解或電化學(xué)副反應(yīng)。第三，在復(fù)雜環(huán)境中的信號(hào)可靠性仍是一個(gè)問題。水下運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)面臨膨脹和離子干擾問題，環(huán)境因素可能會(huì)產(chǎn)生機(jī)械噪聲。皮膚與傳感器界面的粘附不足會(huì)導(dǎo)致信號(hào)漂移。

最后，制造工藝面臨可擴(kuò)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(fù)雜的工藝限制了大規(guī)模生產(chǎn)的效率。先進(jìn)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(yīng)用進(jìn)步的交匯點(diǎn)。未來的突破必須聚焦于兩項(xiàng)核心技術(shù)，即多物理場(chǎng)協(xié)同調(diào)控和跨尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)加強(qiáng)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(fù)、可生物降解和多模態(tài)傳感功能，這些先進(jìn)可穿戴健康系統(tǒng)有望在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、競(jìng)技體育和老齡化健康管理等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，最終推動(dòng)柔性電子與精準(zhǔn)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