综述：基于聚合物的柔性无线传感器用于健康监测

《Nano-Micro Letters》：Polymer-Based Flexible Wireless Sensors for Health Monitoring

　　

研究人员发现，基于聚合物的柔性无线传感器在健康监测领域展现出巨大潜力。然而，现有研究主要集中在材料设计、能量收集和无线通信方面，针对无线链路中信号衰减（signal attenuation）、噪声积累（noise accumulation）和数据失真（data distortion）的研究仍然相对有限。生理信号在采集和传输过程中极易受到多源干扰；若缺乏有效的数据处理和智能分析策略，监测结果可能无法满足临床应用的准确性和稳定性要求。为填补这一研究空白，本综述基于柔性材料和无线供电模式的最新进展，构建了一个涵盖信号感知、链路传输和智能处理的综合框架。特别关注了信道补偿（channel compensation）、噪声抑制（noise suppression）、特征提取（feature extraction）、轻量级人工智能模型（lightweight artificial intelligence models）和边缘计算（edge computing）在提升数据质量和降低能耗中的关键作用。此外，本综述系统分析了无线链路稳定性和能量管理对监测性能的影响。通过强化数据处理与通信之间的协同机制，本研究旨在为下一代高可靠性、低功耗、智能化的无线柔性健康监测系统提供设计原理和发展方向。

2 响应机制
2.1 光学响应
光学响应机制基于材料光学特性（如吸收、散射和发射）的可逆调制，通过光-物质相互作用引发的电子能级跃迁实现信号转换。直接路径依赖分析物本身的光学变化，而试剂介导路径利用染料、分子探针或纳米结构放大信号，提供高灵敏度和远程非接触监测能力。例如，Escobedo等人将无机磷光体与近场通信无线供电模块集成，用于面罩内二氧化碳浓度监测；Zhang等人利用可拉伸超亲水比色膜，通过pH染料和离子螯合生色团的吸收位移实现汗液电解质分析。尽管光学响应具有快速、直观的优势，但受限于光漂白、荧光衰减以及柔性基底形变引起的光轴偏移和背景漂移。未来方向包括采用金属有机框架（MOFs）、二维晶格和量子点组装体等稳定光敏结构，并结合低功耗光电子读出方案与自适应校准算法。

2.2 电荷传输响应
电荷传输感知基于机械刺激对载流子运动、空间分布或内建偶极矩的扰动，主要分为压阻式、电容式、压电式和摩擦电式四种机电机制。
2.2.1 压阻式感知
压阻效应通过应变或压力下导电网络的重构实现电阻调制。Na等人利用垂直石墨烯（VG）薄膜的裂纹打开机制，使载流子路径从渗流网络转变为量子隧穿，应变因子超过5×10³。Pei等人通过两性离子水凝胶中离子迁移通道的可逆调制，实现高达670%的伸长率用于皮下植入监测。然而，弹性体基质的粘弹性蠕变和导电网络疲劳导致机械滞后和基线漂移，需进行结构优化。
2.2.2 电容式感知
电容传感器基于平行板电容器原理，通过微结构介电层（如金字塔或多孔海绵）的压缩改变有效介电常数，提升灵敏度。Herbert等人采用微结构聚二甲基硅氧烷（PDMS）层作为可压缩间隔层，实现0.013kPa^-1的电容灵敏度和毫秒级响应。但电容传感器易受寄生电容和生物流体中高介电常数介质的影响，需封装隔离。
2.2.3 压电式感知
压电传感基于非中心对称晶体（如ZnO、锆钛酸铅）的极化电荷生成，无需外部电源，适合捕捉动态生理信号。例如，将BaTiO₃纳米颗粒嵌入聚酰胺弹性体，通过蓝牙模块无线传输腕部弯曲和步态动力学信号。但无法测量静态压力，且需专用电荷放大器和阻抗匹配。
2.2.4 摩擦电式感知
摩擦电传感通过接触起电与静电感应的耦合产生电压脉冲，将生物力学能量直接转化为可读信号。Xie等人利用液态金属电极和弹性体基底，结合神经形态计算实现无线触觉映射。主要瓶颈为机械磨损和环境湿度导致的电荷屏蔽。
2.2.5 比较与展望
四种机制各有优劣：压阻式和电容式支持静态测量但需持续供电；压电式和摩擦电式自供能但无法响应静态压力。所有机制均面临环境温度、湿度、汗液积累和皮肤脱落引起的界面干扰。未来需通过机械顺应性封装、缺陷工程、自愈合聚合物和边缘学习架构实现长期稳定监测。

2.3 特异性化学响应
化学响应通过分子识别（酶促反应、氧化还原、主客体络合）转化为电信号（电化学、电容、场效应或阻抗）。Li等人利用聚丁香酚膜选择性氧化一氧化氮（NO），通过无线传输实现关节腔亚微摩尔级NO监测。Xiong等人基于DNA水凝胶的酶切降解改变介电常数，通过电感耦合实现无标记细菌检测。Liu等人利用乳酸氧化驱动自供电汗液电池，通过蓝牙传输pH、葡萄糖和Na⁺。核心挑战包括识别单元对pH和温度的敏感性、酶活性丧失和非特异性吸附。未来需构建稳定识别界面、集成柔性微流控和嵌入式校准算法。

2.4 磁响应
磁感知机制利用磁致伸缩或磁通变化实现无源信号转换。Li等人通过液态金属螺旋线圈的几何变形产生感应电动势，用于手指弯曲和手部震颤监测（1–5Hz）。Zhang等人利用GelMA/Fe₃O₄磁水凝胶中纳米颗粒重排引起的磁通密度变化，实现被动式应变传感。Han等人通过磁驱动人工纤毛结合机器学习，识别流体粘度和流动动力学。主要瓶颈包括磁滞和非线性效应导致的信号漂移，以及不同材料体系间磁-机耦合的差异。未来需开发碳纳米管增强磁复合材料、二维磁性材料和限幅磁场安全策略。

2.5 多模态协同响应
多模态传感器通过集成不同物理/化学刺激的响应特征，实现多参数同步监测。Yu等人利用Bi₂Te₃薄膜螺旋结构，通过热电效应测温和负压阻效应测压实现模态正交。Baines等人通过功能染料弹性体的颜色变化（弯曲）、光强变化（拉伸）和温度调制实现光学三模态解耦。Gao等人利用Ti₃C₂T_xMXene多孔结构，通过热敏电导率和电阻变化分别响应温度和压力。Dai等人提出压电-电催化柔性传感器，利用机械变形产生的极化电场增强非酶葡萄糖传感效率。挑战包括信号串扰、材料退化和系统集成复杂化。可通过物理隔离微结构、频域复用和机器学习解耦解决。

3 无线数据传输与供电
3.1 无线数据通信
无线传输方式包括近场、远场和非电磁通信。
3.1.1 近场无线传输
近场通信（NFC）和电感-电容（LC）谐振耦合利用磁场耦合实现短距离低功耗数据传输。Oh等人开发了免电池NFC传感系统，用于卧床患者皮肤压力和温度多点监测。Chen等人利用非线性宇称-时间对称结构实现高分辨率温度传感。Zulqarnain等人基于a-IGZO薄膜晶体管实现柔性心电图（ECG）贴片的近场数据传输。近场耦合效率为20%–40%，距离1–5cm，带宽小于5Mbps，但受涡流损耗和组织漂移限制。
3.1.2 远场无线数据通信
远场传输采用电磁辐射，包括超高频射频识别（UHF RFID）和有源系统（BLE、Wi-Fi、UWB）。Lee等人通过BLE实现口内钠离子传感器超过10m的稳定通信，数据丢包率低于百分之几。Pal等人通过Wi-Fi远场链路实现汗液pH的阻抗谱监测。Zhang等人利用摩擦电纳米发电机驱动蓝牙，实时区分胸腹呼吸模式。挑战包括人体组织介电负载引起天线失谐、汗液改变介电环境以及可拉伸导体低电导率问题。
3.1.3 非电磁通信
声波/超声波通信在导电生物组织中低损耗传播。Nam等人基于水凝胶超声背散射实现pH被动无线查询，深度约10cm。Jin等人通过声学能量传输实现双向通信的柔性心脏起搏器。Wang等人通过脉冲幅度/相位调制实现胸腔内压无电路植入监测。Liu等人集成磁驱动装置，实现毫米级超声软传感器对深部组织力和粘度的无线检测。受限因素包括组织散射、微型换能器声压不足和多径干扰。

3.2 无线供电与能量管理
供电策略包括近场、远场和能量收集。
3.2.1 近场功率传输
Kwon等人利用近场通信无线功率传输（WPT）实现血管压力和流速的连续监测，集成整流器和超级电容稳定供电。Lin等人通过织物平面电感阵列形成中继结构，实现多节点体域网的无线供电，传输效率大于10%。Lee等人利用220kHz射频磁场驱动可降解镁加热器进行热疗。近场供电受线圈对准和材料腐蚀限制。
3.2.2 远场功率传输
Zhang等人基于MoS₂金属半导体异质结构实现2.4–5.9GHz Wi-Fi频段整流，RF-DC转换效率40.1%。Zhao等人利用柔性MXene宽带单极天线实现1.7–4.0GHz范围内68%–76%辐射效率，支持1–5m非视距供电。远场功率受限于发射功率限制和组织衰减。
3.2.3 能量收集
Yi等人利用MXene摩擦电纳米发电机收集人体动能，为压力传感器和NFC模块供能。Wu等人通过柔性固态电解质实现自充电NO₂传感器。Fu等人利用压电水凝胶收集机械能驱动多通道传感和无线通信。摩擦电式器件受湿度影响大，压电式体积能量密度低。未来需多机制耦合和事件触发采样。

3.3 无线数据处理技术
3.3.1 轻量级局部预处理与直接传输
Zhang等人设计免电池钾离子（K⁺）汗液传感器，通过可编程增益放大和级联积分梳状滤波器降低噪声，利用ISO15693协议无线读取。简化架构降低电路复杂度，但原始信号易受噪声干扰。
3.3.2 基于传统算法的数据处理
Hu等人通过柔性磁触觉系统结合插值与轻量级模型，实现毫米级定位和力解耦。Ma等人利用傅里叶分析和峰值检测提取脉搏周期和幅值，实现低功耗无线传输。传统算法依赖滤波和降维，但在动态环境中易退化。
3.3.3 基于机器学习与神经网络的数据处理
Wang等人通过生物仿生多谐振结构结合轻量级ResNet（约190万参数），实现语音识别率超过96%。Zhang等人利用变分模态分解（VMD）和CNN-LSTM解码125维多模态特征，实现手势和脉搏识别。Boe等人通过XGBoost-LightGBM级联结构自适应评估特征重要性，实现睡眠阶段识别。Yao等人利用时间CNN（约128k参数）实现6ms推理延迟，手语识别准确率超98%。挑战包括模型泛化性受限于个体差异和边缘节点资源约束，未来需网络剪枝、在线自适应建模和边缘计算。

4 制造方法
4.1 原位聚合策略
原位聚合直接在柔性基底上形成活性网络，交联剂浓度决定最大拉伸率，固化条件控制膜厚和均匀性。Yao等人通过一步光聚合深共晶溶剂，实现624.9kPa界面粘附强度。Hang等人通过一步紫外聚合形成3D多孔自愈合网络。受限于空间均匀性和图案化精度，未来需结合3D打印和数字光刻。
4.2 3D/4D打印
Sun等人通过投影立体光刻（PSL）实现≈50μm分辨率和≈100μm导电层厚度，结合光聚合密封层确保循环拉伸下的结构完整性。Pak等人通过多墨喷直接墨写（DIW）构建多层架构，线宽≈440μm。Liu等人通过数字光处理（DLP）4D打印形状记忆聚合物，实现≈40μm精度和动态体积变形。挑战在于层间粘附和流变参数控制。
4.3 光刻
Xu等人通过激光烧蚀在导电织物上形成规则微结构，提高图案化精度。Gandla等人通过激光诱导碳化在聚酰亚胺膜上直接写入石墨烯网络，无需光刻胶。光刻提供亚100μm精度，但机械兼容性差；激光加工面临深度均匀性问题。
4.4 丝网印刷
Gong等人通过丝网印刷在螺旋结构上沉积银浆，分散应变保持导电通路。Lv等人结合丝网印刷和溶液涂覆形成银叉指电极阵列。印刷精度受网版和油墨流变限制，难以实现微纳特征。
4.5 喷墨打印
Kwon等人通过气溶胶喷印（AJP）制造多层纳米膜，厚度仅微米级。Pandhi等人优化油墨流变抑制咖啡环效应，实现均匀厚度。喷墨精度20–50μm，但单层厚度有限，多层对准要求高。
4.6 静电纺丝
Tang等人利用平行板电极制备高度取向纳米纤维网络，增强机械各向同性。Liu等人通过电场诱导分子偶极排列，提升PVDF压电性能。纺丝网络随机沉积限制图案化精度，且纤维间粘附弱。未来需同轴纺丝或混合高分辨率技术。

5 健康监测用聚合物基材料系统进展
5.1 聚合物基体中的碳基填料
5.1.1 石墨烯及其衍生物
Tang等人利用多层石墨烯膜天线实现无源应变传感，通过谐振频率偏移监测关节运动。Liu等人将激光诱导石墨烯（LIG）嵌入弹性体配合蓝牙，实时监测脉搏和关节变形。Napier等人将还原氧化石墨烯（rGO）集成于纱线，实现乳酸和pH无线传感。Wang等人利用激光刻蚀石墨烯（LEG）结合分子印迹聚合物，实现静息状态下代谢物非侵入监测。挑战包括界面应力失配、裂纹扩展导致的噪声和转移工艺复杂性。
5.1.2 碳纳米管（CNTs）
Lei等人利用高纯度半导体CNT薄膜晶体管，实现心电和肌电信号无线采集。Hakim等人通过MWCNT@MXene导电网络实现低功耗运动分析。Cai等人构建CNT/MXene复合传感器，覆盖肌肉收缩到肢体运动范围。CNTs面临弱范德华界面在湿润环境中接触电阻漂移，以及循环加载下不可逆微裂纹。
5.2 聚合物基体中的金属填料
5.2.1 固态金属材料
Okabe等人利用Au/Ni薄膜实现组织热性能和体温非侵入监测。Vahdani等人通过热蒸发Au薄膜结合碳纳米纤维控制裂纹扩展，实现高拉伸应变传感器。固态金属在循环变形下易疲劳和界面脱粘，需多层金属/聚合物复合结构。
5.2.2 液态金属材料
Wu等人通过EGaIn在角蛋白网络中化学锚定，形成高拉伸水凝胶用于生理信号监测。Gong等人通过EGaIn-石墨烯复合纳米纤维实现抗疲劳压力传感器。液态金属面临液滴迁移、高表面张力导致图案化困难和封装泄漏，需界面工程和微流道设计。
5.3 功能聚合物系统与基板
5.3.1 水凝胶基材料
天然水凝胶（海藻酸钠、丝素蛋白、纤维素）提供离子导电性和组织顺应性。Huang等人通过海藻酸锌双网络水凝胶实现关节运动监测。Li等人通过丝素蛋白/氧化石墨烯水凝胶电解质实现自供能湿度传感。Li等人将MXene嵌入瓜尔豆胶/海藻酸钠双网络，实现ECG和EMG信号检测，信噪比（SNR）达17.80dB。合成水凝胶（PU、PAAm）可编程弹性。Xu等人通过PU离子凝胶构建自愈合应变传感器。Yao等人通过低模量PAAm水凝胶实现无线触觉刺激。水凝胶面临水蒸发和离子失衡导致阻抗漂移，需防干燥策略和动态交联。
5.3.2 导电与功能聚合物
Wu等人通过PEDOT:PSS/PVDF(HFP)双层复合膜同时感知应变、压力和湿度。Fan等人通过静电纺丝PVDF纳米纤维构建三维压电织物，利用汗液增强压电响应。导电聚合物易受湿度影响导致阻抗漂移，PVDF需高β相含量。未来需界面工程和规模化加工。
5.3.3 通用柔性基板
Mishra等人利用低模量弹性体结合PI实现眼周可穿戴设备。Chen等人利用纸基多孔纤维素实现超薄压力传感器。Mei等人开发3D纸基微流控传感器，利用毛细力驱动汗液分析。Li等人设计柔性光化学传感器用于动脉粥样硬化预诊断。弹性体透气性差，热塑性材料易界面脱粘，纸基材料在高湿环境下结构退化。未来需混合架构和疏水处理。
5.4 聚合物基体中的MXene材料
Chen等人通过功能化MXene（PyTS@Ti₃C₂T_x）集成微流控汗液系统，实现尿酸实时监测。Cao等人利用可重构皱纹Ti₃C₂T_x薄膜实现自供能弯曲传感。Zhang等人通过MXene/EDOT复合材料同时监测运动、体温和ECG。Li等人通过MXene/AgNWs互锁结构实现120%拉伸下稳定输出。MXene易氧化降解导致噪声和漂移，需表面封装和异质杂化系统。
6 结论与展望
6.1 结论
聚合物基柔性无线传感器正在推动健康监测从间歇性诊所测量向连续人体集成观察转变。本综述从协同传感响应机制和无线系统集成角度系统梳理了最新进展，建立了涵盖响应机制、系统功能和应用场景的分析框架。
6.2 挑战与展望
6.2.1 能量供应与自给
需协同优化高Q值柔性整流天线、低损耗网络和自适应阻抗匹配，并发展多源能量收集（射频、热电、压电/摩擦电、汗液化学能）。
6.2.2 无线链路稳定性与干扰抑制
需通过柔性天线方向控制、极化优化和混合通信架构提升链路冗余，结合波束成形和自适应信道补偿。
6.2.3 轻量级智能计算、数据可靠性与安全性
需发展模型剪枝、量化和知识蒸馏的轻量级架构，结合边缘计算和少样本学习提升泛化性，并实施端到端加密。
6.2.4 设备微型化、生物可降解性与长期穿戴性
通过硅纳米膜（SiNMs）、液态金属互连和3D/4D打印实现高度集成，开发可降解材料和低免疫原性界面。
6.2.5 AI驱动的材料-结构-系统协同设计
利用机器学习和图神经网络（GNN）进行材料逆向设计，结合生成式AI和多物理场数字孪生技术加速优化。
6.2.6 商业化路径与光学无线传感新兴机遇
光学无线传感具备抗电磁干扰优势，适用于磁共振环境。克服环境光漂移和微型化挑战是实现商业化的关键。