《Materials Today Chemistry》：An all-in-one electronic skin integrating strain sensing, energy storage, and EMI shielding for intelligent motion assessment
编辑推荐：
•全功能水凝胶电子皮肤集成了传感、储能和电磁屏蔽功能。•CMC调控的PANI网络实现了多功能性能。•该水凝胶实现了1611.2 mF cm?2的电容量和46.6 dB的电磁屏蔽效能。•AI辅助电子皮肤实现了92%准确率的动作姿态识别。引言材料科学与人工智能的快速融合正在加速智
- •
全功能水凝胶电子皮肤集成了传感、储能和电磁屏蔽功能。
- •
CMC调控的PANI网络实现了多功能性能。
- •
该水凝胶实现了1611.2 mF cm?2的电容量和46.6 dB的电磁屏蔽效能。
- •
AI辅助电子皮肤实现了92%准确率的动作姿态识别。
引言
材料科学与人工智能的快速融合正在加速智能医疗保健和运动监测领域的可穿戴电子器件的发展[1]。在众多应用场景中，乒乓球代表了尤为具有挑战性的案例，因为技术动作的质量高度依赖于多个关节的协调运动，尤其是手腕、肩部和躯干[2]。关节运动学中细微的偏差不仅会降低击球效果，还会增加累积性肌肉骨骼损伤的风险。因此，能够持续追踪身体运动并提供实时反馈的可穿戴系统在科学训练和损伤预防中变得越来越重要。为了在动态运动环境中可靠工作，此类系统不仅需要高灵敏度的应变传感，还需要稳定的机载储能和有效的电磁干扰（EMI）防护[3]、[4]。
大量的工作致力于通过复合杂化[5]、[6]、结构工程[7]和器件级集成策略[8]、[9]来开发多功能电子皮肤。最近的研究表明，导电水凝胶由于其固有的柔软性、生物相容性和可调的电学性能，可以同时支持应变传感、储能和电磁屏蔽[5]、[10]。例如，PDA/PAAM/PPy纳米管水凝胶实现了1.94的应变灵敏度和在1.0 mA cm?2下的860 mF cm?2比容量[11]，而银纳米线/聚乙烯醇网络表现出32 dB的可拉伸电磁屏蔽效能[12]。尽管取得了这些进展，但大多数报道的系统仍然依赖于离散功能组件的组装或多层结构，其中传感、供电和屏蔽是分开实现的[13]。此类设计不可避免地增加了结构复杂性，并且常常遭受界面电阻、机械不匹配和信号干扰的问题，从而限制了长期可靠性和佩戴舒适度[14]、[15]。
一个更根本的挑战在于多功能材料中电学、机械和电磁性能之间的内在耦合。高效的储能和电磁衰减通常需要高电导率，但过多的导电填料往往牺牲了柔韧性和拉伸性[16]、[17]。相反，导电含量不足会导致传输路径不连续，从而产生较差的电容和微弱的传感响应。因此，在单一材料平台上同时实现高应变灵敏度、大储能能力[18]、高效电磁屏蔽[19]、[20]和机械顺应性仍然具有挑战性[21]。解决这一挑战需要精确调控导电网络的形成和界面相互作用，以在不同功能之间建立协同而非竞争的关系。开发此类集成材料对于实现能够在运动应用中执行智能运动分析的下一代可穿戴电子产品至关重要[22]、[23]。
各种导电相已被引入水凝胶基质中以改善其电学和多功能性能，包括MXene纳米片、液态金属和固有导电聚合物。然而，这些策略通常在电导率、机械顺应性和结构稳定性之间存在权衡。MXene基网络提供了高电导率和高效的电磁衰减，但团聚、氧化敏感性和界面相容性可能损害其长期稳定性。液态金属提供了高导电性和可变形路径，而在水凝胶基质中的稳定集成通常需要复杂的封装或界面调控。聚苯胺（PANI）和聚吡咯（PPy）等导电聚合物结合了固有的电学活性和良好的可加工性及机械适应性，但过量负载可能会增加局部刚性并破坏水凝胶网络的完整性。这些考虑因素凸显了在单一水凝胶平台上调控聚合物骨架和导电相以实现机械、电化学、传感和电磁性能协调的重要性。
在此，我们报道了一种基于聚乙烯醇/羧甲基纤维素-聚苯胺（PPC）复合水凝胶的多功能电子皮肤（MultiGel-Skin），用于乒乓球智能姿态监测和纠正。引入羧甲基纤维素作为次级网络组分之一以构建互穿聚合物网络，同时通过其丰富的羧基基团充当质子储库[24]、[25]。通过对导电相的系统优化，获得了最佳组成（PPC-1.0），在导电网络连续性、机械柔韧性和多功能性能之间取得了平衡。所得水凝胶电极提供了1611.2 mF cm?2的面积电容，并在5000次充放电循环后仍保留85.1%的电容。同时，它在仅1 mm厚度下表现出46.6 dB的电磁屏蔽效能，以及200%的应变传感范围和3.33的最大应变灵敏度系数。此外，当与基于机器学习的分类模型集成时，MultiGel-Skin系统在区分正确和错误正手击球动作方面达到了92%的准确率，并能够实时识别异常的手腕、肩部和躯干动作。
与大多数通过多层或器件级组装来集成不同功能的报道的全功能水凝胶不同，MultiGel-Skin在单一水凝胶平台上实现了应变传感、储能和电磁屏蔽的单片共集成[26]。多通道可穿戴系统进一步验证了其乒乓球运动识别能力，能够实现技术动作和异常姿态的准确分类。通过将导电网络调控与智能运动监测应用相结合，本研究建立了一个将材料设计、多功能性能与实际部署联系起来的闭环框架，突出了集成水凝胶电子在智能运动训练和个性化医疗保健中的潜力。
章节摘要
材料
羧甲基纤维素钠（CMC，AR）、聚乙烯醇（PVA，Mn = 130k，99%水解）、苯胺（An，AR）、过硫酸铵（APS，AR）、盐酸（HCl，AR）和硫酸（H2SO4，AR）购自阿拉丁化学股份有限公司。碳布购自苏州科胜合股份有限公司。其他所有试剂均为分析纯级，未经进一步纯化直接使用。去离子水（DIW）由实验室水处理系统制备。
导电水凝胶的制备
将2.0 g PVA和0.2 g CMC
基于PANI复合物的合成与表征
如图1A所示，所开发的PPC水凝胶被设计为用于乒乓球运动监测的贴合式和可拉伸电子皮肤。当附着在不同身体关节上时，水凝胶传感器可以收集由手腕、肩部和躯干运动产生的应变诱导电阻信号。这些信号可以进一步处理以实现实时运动识别和反馈，从而实现乒乓球训练中的姿态纠正。
结构设计与制备
结论
总之，我们报道了一种基于PVA/CMC-PANI复合水凝胶的多功能电子皮肤（MultiGel-Skin），并将其集成到一个智能运动姿态评估系统中。CMC同时充当质子储库和结构次级网络，协同增强界面质子化和机械完整性，同时实现了应变传感、储能和电磁屏蔽的无缝集成。优化的PPC-1.0水凝胶电极提供了高面积
作者贡献声明
王超峰：初稿撰写、方法论、数据整理、概念构思。苏雨：初稿撰写、可视化、方法论、数据整理。张浩：数据整理。谢环：验证。刘志豪：调查研究。管洪涛：审稿与编辑、资金获取、概念构思。陈刚：审稿与编辑、监督指导、资金获取。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金委员会（NSFC，资助编号 22165032）和云南大学专业学位研究生实践创新基金项目（ZC-252511992）提供的财政支持。
王超峰|苏雨|张浩|谢环|刘志豪|管洪涛|陈刚
