基于自组装光子晶体复合印花的仿生光子-离子可穿戴运动监测系统：实现实时颜色与电信号双重传感

针对可穿戴运动监测系统便携性和视觉感知能力不足的问题，研究人员开发了基于SiO2微球自组装的光子晶体复合印花（PC-prints），通过集成离子液体[EMIm][TFSI]实现Δλ>180 nm的结构色变化与6 nm/%的应力敏感性，结合微电流示波器构建双模传感系统，为运动识别提供高稳定性（>500次循环）解决方案。

　　

在健康监测和运动追踪领域，传统可穿戴设备往往面临功能单一、响应迟缓的瓶颈。现有机械变色光子晶体（MPCs）虽能实现视觉反馈，但普遍存在波长调节范围窄（Δλ_max<120 nm）、溶剂挥发导致性能退化等问题。更棘手的是，单一传感模式难以满足复杂场景需求，而离子皮肤（I-skins）与光子晶体的结合尚未突破信号同步输出的技术壁垒。

针对这些挑战，研究人员开发了一种革命性的光子-离子双模传感系统。这项研究通过将SiO₂微球自组装到聚乙二醇苯基醚丙烯酸酯（PEGPEA）弹性体基质中，创新性地构建了机械可调的光子晶体印花（PC-prints）。当与离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[EMIm][TFSI]）结合时，材料同时展现出显著的结构色变化（应力敏感性达6 nm/%）和稳定的电信号输出（0-20 μA）。相关成果发表在《Materials Research Bulletin》上，为智能穿戴设备开辟了新路径。

研究团队采用三项核心技术：1）改进的St?ber法制备单分散SiO₂微球（237-350 nm）；2）紫外光固化实现光子晶体在聚酯纤维上的原位自组装；3）基于STM32F103C8T6微控制器开发微电流示波器系统。通过精确控制SiO₂体积分数（30%-36%），成功调控反射峰位（445-697 nm），并利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了[EMIm]⁺与PEGPEA的氢键作用。

【制备过程与双模响应机制】
通过毛细作用将SiO₂/PEGPEA前驱体均匀分散在织物纤维间隙，紫外固化后形成具有呼吸性的光子印花。布拉格衍射分析显示，350 nm微球组装体在33%体积分数下产生697 nm红色反射峰，验证了非紧密六方堆叠结构。

【机械响应特性】
拉伸使晶面间距增大导致蓝移（647 nm→502 nm），弯曲则引发红移（517 nm→615 nm）。疲劳测试表明，样品在250次30%拉伸循环后仍保持Δλ≈100 nm的稳定变色范围，聚酯纤维基底展现出优异的抗疲劳性（500次循环应力衰减<5%）。

【电学传感性能】
离子液体渗透30秒时电阻最低（0.28 MΩ@5V），FTIR在3420 cm^-1处出现的宽吸收峰证实了溶胶层的形成。应变80%范围内，200秒快速循环测试显示电信号衰减可忽略，归因于共价交联网络的稳定性。

【可穿戴系统设计】
集成STM32的示波器系统（7g/10cm²）采用INA190A2放大器实现μA级检测，TP4056芯片管理供电。实际应用中，指关节弯曲引发PC-prints从绿色到黄色的渐变（Δλ=95nm），同时电阻变化被实时转化为波形图，不同运动模式呈现特征性信号图谱。

这项研究通过仿生设计解决了传统MPCsΔλ不足和响应速度慢的核心问题。PC-prints的独特之处在于：1）将光子晶体限域在织物纤维间，兼具透气性与机械强度；2）[EMIm]⁺的氢键作用稳定了离子传输通道；3）双模输出实现了动作幅度（光学）与模式识别（电学）的互补验证。研究不仅为运动员动作标准化训练提供了可视化工具，其6 nm/%的应变灵敏度更为医疗康复监测开辟了新思路。未来通过AI算法优化波形识别，该系统有望成为预防运动损伤的智能预警平台。