中国科学院：超稳健的自供电摩擦电传感织物—实现低成本、无感化、数据驱动的家庭康复新模式

【图文解读】
 

图1 提议的全自动机器制造的摩擦电网带（T-webbing）用于康复医疗。(a) T-webbing的一卷光学照片及其结构示意图。 (b) T-webbing的制造示意图。 (c) 不同规格和材料的T-webbing展示，包括尼龙-30 mm、尼龙-15 mm、聚酯-15 mm。插图为网带一端部分拆解结构的光学照片。[尼龙-30 mm指的是T-webbing的短边宽度为30 mm，材料为尼龙]。 (d) 连续制备的超长功能T-webbing，长度超过10米。 (e) 示意图展示T-webbing在实际康复医疗场景中的两个典型功能。 (f) T-webbing集成于智能康复设备中，配备信号处理电路，用于实时无线监测康复运动。 (g) T-webbing与其他常见设计方案的性能比较。

图2 T型织物的工作原理及电性能。 (a) T型织物在拉伸前后的纹理变化。比例尺，1毫米。 (b) 描述FEP与尼龙T型织物之间接触电气化的原子尺度电子云势阱模型。 (c) T型织物电测试平台的示意图。 (d) T型织物在1至4 Hz接触频率下的输出开路电压Voc。 (e) T型织物在0%至75%不同拉伸比下的输出开路电压Voc。 (f) T型织物在1 Hz恒定接触频率下，分别施加1.9、16.0和40.8 kPa的不同加载压力时的输出电压。 (g) 施加压力与电压峰值差的关系。 (h) T型织物在1 Hz接触频率下经历超过100,000次接触-分离循环后的输出电压。

图3 T型织物的机械性能及其在拱形应变传感器中的应用。(a) 三种不同规格的T型织物的应力-应变曲线。(b) T型织物在0%–300%范围内的应力-应变曲线。插图展示了0%–100%范围内的应力-应变曲线及拟合曲线。(c) 在20%-50%应变下的循环加载-卸载曲线（尼龙-15毫米）。(d) T型织物的最大应变和断裂强度与其他已报道的纱线/纤维基电子产品的比较。(e) 基于T型织物的拱形应变传感器。左侧展示了拱形传感器结构的示意图，右侧则描绘了拉伸周期中结构的变化。(f) 拉伸时拱形应变传感器的机械分析。(g) 在20%到100%变化加载应变下，频率为1 Hz的拱形传感器输出电压。(h) T型织物基拱形传感器的电压峰值差与施加应变之间的关系。

图4 各种人类关节的实时康复训练。(a) 基于T型网状传感器的关节康复监测方案图。(b) 自供电手指关节康复训练系统的示意图。(c) 手指关节康复训练过程中的实时电信号。(d) 自供电踝关节康复监测系统的示意图。(e) 人类踝关节在不同角度弯曲下的拱形传感器电信号。(f) 通过电信号评估康复训练周期标准化的归一化阈值。(g) 自供电踝关节康复监测系统的实时监测软件界面图。(h) 在特定康复训练任务下的实时电信号显示。

图5 基于T-webbing的现代康复系统的智能监测与交互应用场景。(a) 三通道康复训练系统的示意图。(b) 整个康复监测系统的光学照片，包括电信号采集系统和传感器节点。(c) 三通道康复训练系统的实时电信号。(d) 数据采集和标准化数据集建立的流程图。(e) 识别六种运动的混淆矩阵，准确率为97.9%。(f) 康复行为监测系统的实时判断与记录软件界面。(g,h) 在两种不同运动条件下的软件处理与结果显示图。(i) 基于T-webbing拱形传感器的现代康复前景。(j) 基于T-webbing的拱形传感器应用于康复训练的互动体验案例。

【结论与展望】

    受柔性电子技术快速发展的驱动，康复医疗正朝着与人体无缝接口的设备转变。然而，现有解决方案往往仅是在刚性组件上叠加灵活传感器单元，这使得高弹性、机械强度和真正不可感知性之间的结合变得困难。在本研究中，作者开创了一种超强韧（约54.7 MPa）且高度可拉伸（>400%应变）的摩擦电织物（T-webbing），通过嵌入式纹理结构与功能性弹性纱线的协同集成，克服了这一长期存在的权衡。该T-webbing支持大规模定制，展现出卓越的电气耐用性（>100,000次循环），并为多样化的康复任务提供可靠的自供电传感能力及可调机械性能。在一个概念验证示范中，T-webbing无缝集成于一个基于机器学习的下肢康复平台，实现了97.9%的运动识别准确率，同时支持无缝的一键数据共享、直观的人机交互和实时远程指导。通过将高机械韧性与不可感知的穿戴性相结合，作者的研究为物联网生态系统中基于数据驱动的、高适应性的家庭康复提供了一种全新解决方案，满足了对可扩展、以患者为中心的解决方案的迫切临床需求。

【参考文献】

Wang, W. et al. Ultra‐Robust and Hyperelastic Triboelectric Webbing for Self‐Powered Rehabilitation Sensing with Invisible and Embedded Design. Advanced Materials e73094 (2026) doi:10.1002/adma.73094

来源：新一代柔性传感

审核编辑 黄宇