山大李阳等：一种基于水凝胶的柔性集成多模态传感贴片

研究背景

睡眠监测是健康管理的重要组成部分，因为睡眠质量对恢复人体健康至关重要。然而，目前多导睡眠监测仪的商业产品连接线繁琐，最新研究的柔性传感器贴在身体上仍有干扰。水凝胶在可穿戴传感领域的应用前景广阔，但往往存在机械性能低、保水性差、灵敏度低、功能单一等问题。本文提出了一种基于水凝胶的柔性多模态接近/压力/温度电子皮肤(M-PPT)，开发了一种基于水凝胶的柔性集成多模态传感贴片，并将其应用于无约束睡眠监测。

A Flexible-Integrated Multimodal Hydrogel-Based Sensing Patch

Peng Wang∥, Guoqing Wang∥, Guifen Sun, Chenchen Bao, Yang Li*, Chuizhou Meng* and Zhao Yao*

Nano-Micro Letters (2025)17: 156

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01656-w

本文亮点

1. 开发了一种由水凝胶双峰压力-温度传感层和纳米纤维非接触式检测层组成的柔性多模态传感贴片，且水凝胶具有优异的机械性能和保水性。

2. 得益于结构设计和材料合成，传感器具有出色的0.5 ℃⁻¹温度灵敏度和良好的线性度，微球结构设计提高了压力敏感性(30.6 kPa⁻¹)，非接触式感应距离为2 m，通过机械手验证了多模态传感功能。

3. 在枕头的不同位置集成了多个多模态传感贴片，通过一维卷积神经网络获取和分析各种人枕交互信息。

内容简介

睡眠监测是健康管理的重要组成部分，因为睡眠质量对恢复人体健康至关重要。然而，目前多导睡眠监测仪的商业产品连接线繁琐，最新研究的柔性传感器贴在身体上仍有干扰。济大王鹏博士/山大李阳教授/河北工大孟垂舟教授/青岛大学姚钊副教授联合开发了一种基于水凝胶的柔性集成多模态传感贴片，并将其应用于无约束睡眠监测。该贴片由底部的水凝胶双模压力-温度传感层和顶部的电纺纳米纤维非接触检测层组成。作为核心基底的水凝胶具有很强的韧性和保水性，基于不同的传感机制实现了温度、压力和非接触式接近的多模态传感，并且没有串扰干扰。多模态传感功能在模拟的真实场景中通过机械手接触物体进行了验证，以验证其实用性。在枕头的不同位置集成了多个多模态传感贴片，用于智能睡眠监测。通过一维卷积神经网络获取并分析各种人枕互动信息及其随时间的演变。该系统可跟踪头部运动，识别可能导致睡眠不佳的不良姿势，为睡眠监测提供了一种前景广阔的方法。

图文导读

I M-PPT的设计理念及合成策略

该传感功能的核心是由底层的水凝胶基压力-温度传感层、顶层的非接触式检测层组成。通过将传感器置于枕头不同位置，可以实时监测人体在睡眠过程中的体温、压力分布和位置变化。这些数据对于研究睡眠质量和睡眠障碍具有重要意义(图1)。

图1. 应用在人体睡眠监测的水凝胶基接近/压力/温度传感器的结构设计与表征。(A)水凝胶基压力-温度传感器的制备流程以及内部所含有的离子交联结构。(B)接近/压力/温度传感器的3维结构、功能、应用以及实物图展示。(C)水凝胶的FTIR光谱分析。(D)水凝胶的拉曼光谱分析。(E)水凝胶可以被制作成蝴蝶、宠物犬、火烈鸟等各种形状，以及水凝胶的拉伸性展示。

II M-PPT的温度传感性能

该水凝胶层实现了0.5 ℃−1的温度传感灵敏度。通过多次循环温度变化测试传感器的响应，传感器表现出了良好的循环稳定性。为了验证传感器在实际应用中的性能，将传感器贴附于烧杯外侧，将其应用于对不同温度的水进行测试，传感器能够准确检测到水温的变化。另一方面，制备的传感器具有良好的线性关系，基于其优异的性能，所制备的温度传感器在体温监测方面具有很大的潜力(图2)。

图2. 温度传感器的性能特点以及机制。(A)水凝胶温度传感器的工作示意图。(B)PEDOT:PSS分子的工作原理示意图。(C)温度传感器的灵敏度。(D)传感器在34 ℃-38 ℃以及38 ℃-42 ℃的不同温度下的循环性能。(E)不同载流子浓度下的传感器灵敏度对比。(F)在不同拉伸以及不同温度下的传感器性能变化。(G)传感器在同一温度下保持稳定性能。(H)在加热和冷却循环下传感器信号变化具有很好的线性拟合。(I)对不同的水温进行检测。(J)响应恢复时间。

III M-PPT的压力传感性能

为了增强传感器的灵敏度和响应速度，通过图形转移方法在水凝胶的表面制作了球形体微结构。微结构的存在减小了初始接触面积，这些结构在传感过程中起到了关键作用。通过COMSOL软件进行了仿真，模拟了施加压力过程中的传感器行为，通过仿真分析，观察到压力施加在水凝胶表面时，内部结构的变化和应力分布。传感器在1 kPa的低压力下灵敏度为30.6 kPa⁻¹，在40 kPa高压力下灵敏度为26.3 kPa⁻¹，且响应恢复时间小于5.6 ms。可以进行25 Pa和50 Pa的微小压力检测(图3)。

图3. 压力传感器的性能特点以及机制。(A)水凝胶压力传感层的表面微结构SEM图像表征。(B)COMSOL仿真施加压力过程。(C)压力传感器的灵敏度曲线。(D)压力传感器的响应恢复时间。(E)传感器的最低检测限。(F)不同频率负载下的信号变化。(G)不同温度下对传感器的压力性能的影响。(H)不同压力下对温度传感性能的影响。(I)与目前已报道的工作进行性能的比较。(J)用手去抓握装有不同含量水的杯子。

IV M-PPT的接近传感性能

接近式传感层主要采用摩擦电原理，摩擦层作为传感层与不同的材料相互作用，对每种材料产生不同的电压值。在PVDF中掺杂二维MXene片进行静电纺丝后，制备出具有球形多重物理网络结构的复合薄膜，这种球形多重物理网络具有优异的化学稳定性和较高的比表面积，能够有效捕获和积累更多的负电荷，可以进行2 m的距离检测(图4)。

图4. 接近式传感层的性能特点以及机理。(A)摩擦电接近式传感层垂直模式的工作原理示意图。(B)使用直线电机将接近式传感层与不同种类材料进行碰撞摩擦测试。(C)接近式传感层与不同种类材料的测试电压对比。(D)接近式传感层与尼龙材料进行电流测试。(E)传感层与尼龙材料进行电荷测试。(F)传感层与尼龙材料进行电压测试。(G)不同的温度下对测试电压的影响。(H)测试电压随着相隔距离的增加而减小。(I)接近式传感的COMSOL仿真测试。(J)不同负载下的峰值功率。(K)不同测试频率下的电压变化。

V 现实中的多模态接近-压力-温度传感能力

将传感器贴在机械手指上，模拟接触装有温水的玻璃瓶(为了防止湿度对传感器产生的影响，玻璃瓶口使用Parafilm进行了封装)，通过控制机械手的运动轨迹，能够精确地模拟人类手指在初始-接近-接触-远离物体过程中的感知过程。为了验证多模态传感系统的稳定性和可靠性，进行了多次循环测试，测量了接近、压力和温度信号在不同循环条件下的变化情况。结果显示，三种信号在多次循环测试中表现出良好的稳定性和一致性，说明多模态传感系统具有较高的重复性和可靠性，能够在实际应用中提供稳定和可靠的感知数据(图5)。

图5. 机械手模拟现实中的多模态传感。(A)机械电信号与神经信号的概念图。(B) 三种传感模态信号的特征。(C)机械手模拟初始-接近-接触-远离四种状态。(D)在初始-接近-接触-远离四种状态下的三种模态传感的信号变化。(E)接近/压力/温度三种不同信号变化进行结合，并进行多次循环测试。

VI 配备M-PPT的智能枕头，用于人类睡眠监测

为了验证多模态传感器在人体睡眠监测中的应用潜力，通过一系列实验和数据分析来验证其卓越的性能。多模态传感系统通过集成多个传感器，实现对睡眠过程中不同状态的精准监测和实时反馈。首先将三个传感器分别贴在枕头的不同位置，温度传感监测夜间体温变化，提供关于体温调节的关键信息，接近传感可以帮助分析睡眠时的运动轨迹和是否存在频繁的翻身行为，压力传感则精确记录头部位置的变化，检测出侧卧、仰卧等不同睡姿，识别出可能导致不良睡眠的姿势。随后采用了一维卷积神经网络(1D CNN)对五种不同睡眠状态进行训练和测试(躺下、起床、打鼾、右侧转身和左侧转身)，最后识别成功率可以达到97.6%。通过整合这些数据，用户可以获得个性化的睡眠建议，从而改善睡眠质量，预防潜在的健康风险(图6)。

图6. 应用在人体睡眠监测的多模态传感综合系统。(A)三个多模态传感器分别贴在枕头不同位置，预防潜在的健康风险。(B)人体躺下时多模态传感器的信号响应。(C)人体向右侧转身时多模态传感器的信号响应。(D)人体向左侧转身时多模态传感器的信号响应。(E)人体分别在躺下、起床、打鼾、右侧转身和左侧转身等五种睡眠状态下的传感器的信号变化。(F)五种不同睡眠状态使用1D CNN训练，识别成功率97.6%。

VII 总结

综上所述，该工作制作了一种基于水凝胶的柔性多模态接近/压力/温度电子皮肤(M-PPT)，用于人类睡眠行为的健康管理系统。该系统通过整合水凝胶的优异机械性能和持久保湿性，以及多模态传感功能，实现了高灵敏度和高稳定性的监测。研究表明，M-PPT电子皮肤能够提供准确的体温、压力和接近式检测数据，并且使用一维卷积神经网络(1D-CNN)分析传感器的数据以帮助分析睡眠时的运动轨迹和是否存在频繁的翻身行为，为用户提供个性化的睡眠建议，从而改善睡眠质量，预防潜在的健康风险。这一创新不仅拓展了水凝胶在可穿戴设备中的应用，也为未来健康监测系统的设计提供了新的思路。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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