系統解讀各向異性水凝膠解碼運動監測中的多維信號

原標題：蘇炳添發表Cell子刊論文：系統解讀各向異性水凝膠解碼運動監測中的多維信號

在體育競賽、康復訓練以及多功能電子皮膚的需求驅動下，用于持續實時監測復雜活動的可穿戴水凝膠傳感器正在被設計和開發。仿生設計的各向異性水凝膠傳感器（Anisotropic Hydrogel Sensor，AHS）能夠將復雜的運動信息與多尺度傳感解耦，為提高運動監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測的各向異性水凝膠傳感器（AHS）的最新進展，系統地介紹了各向異性水凝膠的材料類型和性能調優策略，其中性能調優主要涉及界面和機械設計、有針對性地優化電學性能以及協同調控多種功能。該綜述還總結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 所面臨的挑戰以及未來的發展方向。

人體運動是生物體內最為復雜和精妙的生物力學過程之一。其產生的多維信號貫穿各個層面，從基本的生理狀態到高級的神經調節。對這些信號的精確監測在競技體育、運動康復、人機交互以及高級診斷等領域具有至關重要的意義。因此，通過可穿戴設備實現連續、實時監測的需求日益增長，以提升運動表現和評估健康狀況。同時，人體生物系統（如肌肉、皮膚和關節軟骨）呈現出獨特的層級結構，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內肌動蛋白和肌球蛋白的各向異性排列。這種有序結構對于產生獨特的各向異性功能至關重要，比如定向運動和減震。

在人類眾多的生理感知機制中，電生理信號能夠對內部組織或器官的狀態做出快速反應。然而，傳統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。柔性電子技術的出現，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成的 3D 網絡結構，具有足夠的柔韌性，可像天然組織一樣發揮作用。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，水凝膠被視為構建“電子皮膚”的理想材料。然而，絕大多數水凝膠傳感器采用各向同性設計，其中隨機的聚合物網絡在各個方向上具有相同的物理性質，這限制了它們在監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）正成為解決這些挑戰的關鍵策略。通過模仿生物組織的有序微觀結構，各向異性水凝膠在機械和電學性能上實現了方向依賴性，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的層狀束交聯的啟發，人體肌肉展現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測之間的關系，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測效率方面的關鍵作用。越來越多具有定向內部網絡的各向異性水凝膠被制造出來。它們的有序結構賦予了各向異性功能特性。當集成到運動監測設備中時，這些各向異性水凝膠能夠實現有效的信號解耦（例如區分不同方向的運動），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了各向異性水凝膠傳感器（AHS）在運動監測方面的最新進展。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測的 AHS 的材料類型。其次，研究了性能調優策略以及相應的制造方法，以滿足復雜的運動監測需求，并重點關注了 AHS 的多尺度應用，例如微生理信號采集、關節運動分析和現場運動監測。最后，概述了 AHS 的未來發展方向。

AHS 的仿生設計和運動監測

過去二十年各向異性水凝膠材料的發展

各向異性水凝膠的結構

在 AHS 中的界面以及機械、電學和協同的多重性能

AHS 的制造

用于運動監測的 AHS 中微生理信號的捕獲

AHS 用于關節運動分析

動態環境中基于 AHS 的運動監測

通過超越傳統各向同性材料的功能局限性，各向異性水凝膠傳感器（AHS）能夠實現復雜運動信息的定向解碼和多尺度感知，推動可穿戴電子產品從“感知”向“認知”發展。該綜述回顧了各向異性水凝膠開發的最新進展及其在運動傳感中的應用。按材料類型、性能調節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展提供了重大機遇，同時也面臨著重大挑戰：首先，要在機械性能和功能兼容性之間取得平衡。現有的方法通過引入配位網絡或納米填料來增強機械強度，但過度交聯可能會損害離子導電性。例如，動態氫鍵和拓撲纏結實現了低滯后和高韌性，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合不足而分層。

此外，各向異性調節的精度和穩定性還需要進一步協調。盡管Janus 表面（在同一材料或結構的兩個相對面或區域內，具有截然不同的化學組成、物理性質或功能）設計實現了高達 1.12×105的導電各向異性，但在復雜運動中保持穩定的定向響應仍具挑戰性。例如，預拉伸誘導的取向結構在長期循環加載下可能會松弛，導致靈敏度下降。此外，雖然電場或磁場等外部刺激可以調節各向異性，但它們可能會導致材料降解或電化學副反應。第三，在復雜環境中的信號可靠性仍是一個問題。水下運動監測面臨膨脹和離子干擾問題，環境因素可能會產生機械噪聲。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 打印等技術能夠實現微觀結構控制，但復雜的工藝限制了大規模生產的效率。先進可穿戴健康系統的發展處于材料創新、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，即多物理場協同調控和跨尺度結構設計，同時加強從材料到器件再到系統的全鏈條優化。通過整合自修復、可生物降解和多模態傳感功能，這些先進可穿戴健康系統有望在運動醫學、競技體育和老齡化健康管理等領域實現大規模應用，最終推動柔性電子與精準醫療的深度融合。

論文鏈接：

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