中山大学：基于共形生物粘附水凝胶的多模态腕

为了满足可穿戴人机交互（HMI）在健康监测、主动康复及智能交互等领域的需求，研究人员正专注于开发基于软材料的柔性HMI设备，以替代传统刚性界面组件，实现高效、连续的人体生物信号采集。这些柔性HMI设备虽展现出显著应用潜力，但现有方案仍存在关键局限：1）智能数据手套类界面限制手指自由活动、易积汗影响舒适度；2）传统水凝胶电极普遍存在自粘性不足、与皮肤机械性能不匹配、界面阻抗高的问题，难以稳定捕获低信噪比（SNR）的表面肌电（sEMG）信号；3）多通道信号采集系统虽能提升识别精度，却增加设备体积与便携性难度，且多模态信号融合常导致算法复杂度过高、实时响应性下降，多数系统还依赖外部网络，限制户外应用。因此，开发兼具高舒适度、高信号质量、便携性与实时离线交互能力的全集成HMI界面，成为柔性电子领域的重要挑战。

水凝胶因三维聚合物网络结构与皮肤理化、力学特性相似，被广泛用作柔性电子中的表皮电极材料，但其在HMI系统中的应用仍面临瓶颈：传统聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶常因导电性与机械性能难以平衡，且缺乏抗菌性与长期稳定性，限制长期佩戴舒适性；虽有研究通过引入导电聚合物、碳纳米管等提升性能，却仍未解决界面接触不稳定与运动伪影问题；此外，常规sEMG采集系统依赖有线连接的离散器件，多模态融合进一步增加系统复杂度与成本。为突破这些局限，需设计兼具强自粘、高导电、高稳定性与抗菌性的水凝胶材料，并实现传感模块与采集电路的高效集成，以在保证信号质量的同时，提升系统便携性与实时性。

本文提出一种基于蜂蜜-氯化钠（NaCl）共改性聚丙烯酰胺（HSCP）的智能水凝胶表皮电极，并集成构建成共形生物粘附多模态腕带系统，实现精准、移动且实时的手语翻译与人机交互，该HSCP水凝胶通过蜂蜜引入强自粘性（皮肤剪切强度≈2 kPa）、低杨氏模量（≈1.2 kPa，匹配软生物组织）、天然抗菌性（金黄色葡萄球菌存活率低至21%）和保湿性，NaCl作为离子导电介质赋予其1.6 S/m的高电导率，使sEMG信号SNR达31 dB（远超商用Ag/AgCl电极的17 dB），且16天连续使用后SNR仍维持在22 dB以上。腕带基于柔性印刷电路板（FPCB）设计，体积仅40 mm²、重量8 g，集成双通道sEMG采集芯片（KS1082）与三轴加速度（ADXL345）双模态传感器，可同步捕获高频sEMG（20-200 Hz）与低频加速度（0-10 Hz）信号，通过平稳小波包变换（SWPT）预处理与CBAM-LSTM-CNN轻量化AI模型，实现97.2%的手语识别准确率。系统通过蓝牙与专用移动APP通信，算法与模型本地部署，响应延迟低于500 ms，无需联网即可实现手语翻译（文字+语音输出）、机器人远程控制（处理模拟危险物品）及主动康复训练（驱动气动手套辅助手部运动），在听障人士沟通、中风患者康复及工业危险场景中展现出显著应用价值。

2025年10月24日，相关工作以“Conformal Bioadhesive Hydrogel-Based Multimodal Wristband for Accurate, Mobile, and Real-Time Sign Language Translation and Human-Machine Interactions”为题发表于《Advanced Functional Materials》，共同通讯作者为中山大学吴进副教授、付俊教授，南京工业大学霍峰蔚教授及西北工业大学陶凯教授，共同第一作者为中山大学肖明轩、罗艺冰等。

图1水凝胶基移动式柔性腕带式集成化HMI系统，适用于多功能应用场景

图2HSCP水凝胶的制备与表征

图3柔性双模态HMI系统的性能评估

图4用于精准HMI的SWPT算法与CBAM-LSTM-CNN模型构建

图5基于腕带的可移动实时HMI界面的应用

图6基于可移动实时HMI界面的多功能应用

论文信息：

Mingxuan Xiao, Yibing Luo, Huizhi Chen, Hao Wang, Dijie Yao, Dingkun Wang, Yujiang Pan, Baoli Zha, Qiuhua Yu, Ruijie Xie, Bo-Ru Yang, Kai Tao,* Jun Fu,* Fengwei Huo,* and Jin Wu*.Adv. Funct. Mater.2025, e22153.

原文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202522153

来源：高分子科技