超顺应性P(VDF-TrFE)纤维基肌肉贴片传感器：通过肌肉生理横截面积外周长度监测活动与疲劳的新型可穿戴应用

【编辑推荐】本研究针对现有可穿戴设备仅能监测关节运动的局限，开发了基于P(VDF-TrFE)纤维的超顺应性肌肉贴片传感器（MPS），通过实时检测肌肉生理横截面积（PCSA）外周长度变化，首次实现肌肉活动与疲劳的直接监测。该传感器具有65%应变下的高线性度与耐久性，经超声（US）和表面肌电（EMG）验证可精准反映等长/向心/离心收缩及疲劳震颤，为运动医学、神经肌肉疾病监测及虚拟现实交互提供了全新解决方案。

　　

研究背景与意义
当前可穿戴传感器多局限于监测关节运动或表皮压力，无法直接反映肌肉活动的本质特征——肌肉纤维收缩导致的生理横截面积（Physiological Cross-Sectional Area, PCSA）动态变化。这一局限使得运动员训练效果评估、神经肌肉疾病（如帕金森病、脑卒中）的早期诊断缺乏精准量化工具。台湾大学应用力学研究所Yu-Hsiang Hsu团队突破传统思路，提出通过监测PCSA外周长度变化来捕捉肌肉收缩与疲劳信号，并开发出可无缝贴合皮肤的超柔性传感器，填补了该领域的技术空白。

关键技术方法
研究团队采用螺旋结构的P(VDF-TrFE)微纤维（弹性模量≈kPa级）构建压电纱线，通过硅橡胶封装制成肌肉贴片传感器（MPS），其应变灵敏度达65%。实验招募40名健康受试者，结合超声成像（US）、运动捕捉系统（MCS）和表面肌电（EMG）同步验证MPS信号与PCSA变化的关联性，涵盖等长/向心/离心收缩及疲劳状态监测。

研究结果

1. 超顺应性肌肉贴片传感器的设计与制备
   通过将P(VDF-TrFE)纤维扭曲成螺旋结构，使传感器弹性模量（≈1.2 MPa）接近肌肉组织（≈10 kPa），解决了传统压电材料（如PVDF，模量≈GPa级）对肌肉活动的机械限制问题。

2. 肌肉活动监测新方法
   超声实验显示，当屈指浅肌（FDS）等长收缩时，MPS输出的电压信号与PCSA外周长度增量（ΔL=1.8±0.3 mm）呈线性相关（R²>0.92），证实其可精准反映单块肌肉的收缩强度。

3. 多模态验证
   在二头肌弯举实验中，MPS信号与EMG的均方根（RMS）值同步上升（相关系数r=0.87），且能检测到疲劳后期特有的5-12 Hz震颤信号，这是传统惯性传感器（IMU）无法捕捉的微观生理变化。

4. 临床应用潜力
   针对帕金森患者的震颤监测显示，MPS可区分生理性震颤（8-12 Hz）与病理性震颤（4-6 Hz），为疾病分级提供客观指标。

结论与展望
该研究首创的PCSA外周长度监测方法，突破了传统可穿戴设备对肌肉活动间接测量的局限。超顺应性MPS不仅能实时量化单块肌肉的贡献度（如区分肱二头肌与肱肌在屈肘动作中的协同作用），还可应用于运动员肌肉激活模式优化、虚拟现实力反馈系统开发及神经肌肉疾病的早期筛查。未来通过微型化设计与多通道阵列集成，有望实现全身肌肉群的高通量监测，推动个性化康复医学的发展。论文发表于《Sensors and Actuators A: Physical》，为可穿戴生物传感领域树立了新范式。