《Sensors and Actuators A: Physical》：Highly sensitive and skin-conformable PVA/SBMA/LiCl hydrogel iontronic pressure sensor for intelligent rehabilitation training system
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•开发了一种高灵活性的双网络离子导电水凝胶压力传感器。•该传感器实现了 0.5 Pa 的检测限、343.428 kPa?1的灵敏度和 50 ms 的响应时间。•一个智能系统可在康复过程中实时跟踪手指、膝盖和张嘴动作。引言随着物联网 (IoT) 和智能医疗系统的深度融合，可穿戴
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开发了一种高灵活性的双网络离子导电水凝胶压力传感器。
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该传感器实现了 0.5 Pa 的检测限、343.428 kPa?1的灵敏度和 50 ms 的响应时间。
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一个智能系统可在康复过程中实时跟踪手指、膝盖和张嘴动作。
引言
随着物联网 (IoT) 和智能医疗系统的深度融合，可穿戴柔性传感器 [1], [2], [3] 引起了广泛关注，作为人机交互 (HMI) [4], [5], [6], [7] 和生理信号监测 [8], [9], [10], [11] 的关键接口。这些设备正迅速向更高灵敏度、更好的生物相容性和增强的长期运行稳定性方向发展。然而，由刚性金属或半导体制成的传统传感元件与柔软的人体组织存在显著的机械不匹配。在涉及人体关节大变形 [12], [13], [14], [15] 的动态监测中，这种不匹配通常会导致皮肤 - 设备界面的共形接触不良，导致接触阻抗增加、佩戴舒适度降低和严重的信号失真。因此，这些设备难以适应人体皮肤 [16] 的复杂变形行为，限制了它们在长期生理监测和康复评估 [17], [18], [19], [20] 中的有效性，从而限制了它们在智能医疗场景 [21], [22], [23], [24], [25] 中的大规模部署。
基于聚合物网络的导电水凝胶，最近已成为柔性传感系统的有前景材料，因其可调的物理和电化学特性 [26], [27], [28], [29]。由于其固有的柔软性和高含水量，这些材料可以 closely 模拟生物组织的机械特性。理想情况下，导电水凝胶应同时表现出高电导率和高压力灵敏度，以实现对各种生理信号 [30], [31], [32], [33], [34] 的准确检测。此外，水凝胶网络内的独特三维微观结构在重复机械加载和变形下提供机械韧性和结构完整性 [35], [36]。尽管有这些优势，开发同时实现高机械可靠性和优越传感性能的水凝胶系统仍然是一个相当大的挑战 [37], [38]，特别是对于可穿戴康复监测应用 [39], [40], [41], [42], [43]。为了解决这些问题，提出了各种策略。例如，Zhang 等人 [44] 通过掺入纤维素改善了水凝胶的机械性能。Yue 等人 [45] 引入了甘油和二醛淀粉，利用协同氢键和席夫碱相互作用以实现平衡的机械和电气性能；然而，它们的实际应用受到内在脆性和明显信号滞后性的阻碍。Bi 等人 [46] 开发了一种高拉伸性和粘附性的双网络水凝胶用于可穿戴应变传感，但其表现出相对较慢的响应 - 恢复时间 (319 ms–296 ms)。Zhang 等人 [47] 报道了一种基于淀粉的仿生半透聚合物网络水凝胶，通过 EDC/NHS 介导的酯化策略用原儿茶酸 (PCA) 进行共价修饰。所得的 PCA-St/PAM-50 水凝胶整合了可逆的 π–π 相互作用和氢键作为动态牺牲键，增强机械强度、延展性和抗疲劳性；然而，它在实现低检测限和高灵敏度方面仍然不足。Wang 等人 [48] 制备了一种具有独特孔桥结构的多功能 PPM@C-DES 共晶水凝胶，以调节 M@C 导电网络的构建/解构，但相应的传感器表现出相对较低的灵敏度 (GF = 4.49)。这些方法对于实现兼具高共形性和超高灵敏度的多功能柔性压力传感器仍然不足。因此，开发基于水凝胶的高性能可穿戴压力传感器用于智能康复训练和医疗监测具有重要意义。
为解决上述挑战，我们开发了一种基于具有双网络结构的 PVA/SBMA/LiCl 离子导电水凝胶的柔性电容式压力传感器 [49], [50], [51]。通过成分优化和界面微观结构工程，水凝胶实现了与人体皮肤兼容的机械顺应性，同时显著增强了界面双电层 (EDL) 电容调制。所得传感器表现出高灵敏度、低检测限和稳定的动态性能，能够实现微细生理信号和大范围关节运动的可靠检测。通过将定制信号采集电路与实时监测平台集成，该设备进一步展示了其连续运动跟踪和定量康复评估的能力，突显了其在可穿戴电子皮肤和智能医疗应用中的潜力。
章节摘要
材料
去离子水购自阿拉丁试剂有限公司 (上海，中国)。聚乙烯醇 (PVA, 平均分子量 ≈ 170,000) 购自麦克林生化有限公司 (上海，中国)。[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基-(3-磺丙基)氢氧化铵 (SBMA, AR, 97%)、氯化锂 (LiCl, AR, 99%) 和 2-羟基 -2-甲基苯乙酮 (PI, AR, 97%) 购自阿拉丁试剂有限公司 (上海，中国)。聚乙二醇二丙烯酸酯 (PEGDA, 平均
材料表征
采用扫描电子显微镜 (SEM) 可视化水凝胶的内部微观结构，以及粗糙水凝胶表面上随机分布的大小不一的凸起和凹坑，如图 1(c) 和图 2(a,b) 所示。如图 1(c) 所示，水凝胶表面特征成功复制自 100 μm 砂纸，形成具有随机分布的凸起和凹陷以及明显高度变化的粗糙微观结构形态。这种
可穿戴生理信号监测
为进一步评估 S4P0.6L0.4 水凝胶传感器在实际可穿戴医疗设备中的适用性，将传感器附着在人体的不同部位，以实时监测大范围运动，从大规模肢体运动到微细生理振动。对于这些可穿戴测量，封装后的传感器使用聚氨酯薄膜的扩展粘合边缘固定到每个目标身体位置，而水凝胶 - 电极传感界面
结论
总之，开发了一种基于双网络离子导电水凝胶的高性能柔性电容传感器，通过将物理交联的 PVA 网络与化学交联的 SBMA/PEGDA 网络集成。得益于 SBMA 的两性离子特性和 LiCl 电解质诱导的反聚电解质效应，水凝胶表现出增强的离子传输能力，而砂纸模板微观结构有效地放大了界面双电
CRediT 作者贡献声明
杨平安：写作 - 审查与编辑，可视化，监督。吴德成：写作 - 审查与编辑，监督，项目管理。周斌：写作 - 初稿，调查。陈乔：写作 - 审查与编辑，资金获取，概念化。赵志瑞：调查，数据管理。秦圆圆：写作 - 初稿，形式分析。田鑫：验证，软件。钟佳景：写作 - 初稿，软件。李瑞：监督，资源，
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢 重庆自然科学基金 (CSTB2025NSCQ-GPX1288)、重庆市教育委员会科技研究计划 (KJQN202400638) 和 重庆市科技创新重点研发计划 (CSTB2023TIAD-STX0037) 的资助。
周斌 目前就读于中国重庆邮电大学自动化学院，攻读自动化学士学位。他的研究兴趣集中在柔性压力传感器上。
周斌 | 陈乔 | 赵志瑞 | 秦圆圆 | 田鑫 | 钟佳景 | 李瑞 | 首孟杰 | 杨平安 | 吴德成
