西北工业大学陶凯教授课题组AFM：赋能人机交互界面：面向柔性智能体系的自供能水凝胶传感器

发布时间：2025-08-19 17:36:29   来源：旧版米乐体育app下载

  传统刚性人机界面面对明显的限制性，首要体现为与人体皮肤之间的力学功能失配，以及依靠外部电源导致的频频保护和替换问题，这严峻限制了其在需求长时间安稳运转和高生物相容性要求的无缝人机交互场景中的使用。在此布景下，凭仗其一起的资料特性，如，自供能水凝胶传感器正渐渐的变成为推进可穿戴医疗监测、柔性机器人感知和下一代智能人机界面开展的关键技能计划。但是，要完成该技能的规模化使用，仍需霸占长时间循环安稳性缺乏、彻底动力自主性短缺以及自适应智能呼应机制不完善等中心应战。根据此，

  日前，西北工业大学陶凯教授课题组体系梳理了自供能水凝胶人机界面的资料功能增强战略、自供能机制及其使用的开展、潜力、限制和展望，旨在为下一代自治、智能化水凝胶人机界面开展供给辅导。相关作业以“Empowering Human-Machine Interfaces: Self-powered Hydrogel Sensors for Flexible and Intelligent Systems”为题宣布在《Advanced Functional Materials》上。西北工业大学博士研究生谷一群、硕士研究生郭庆为文章一起榜首作者。

  传统的外部供电方法因为体积十分巨大且依靠定时替换电池，限制了水凝胶传感器的小型化规划与体系集成。一起，刚性电源与柔性水凝胶资料间的力学功能失配，影响佩带舒适性。为处理这一中心问题，根据能量转化的新式供电战略，经过将机械能和生物能高效转化为电能，为完成水凝胶传感器的长时间安稳运转供给了立异处理计划。

  图3.冲突电式自供能水凝胶传感器。（a）TENG的典型作业形式；（b）根据三重网络水凝胶的TENG；（c）多功能水凝胶-弹性体作为可拉伸TENG；（d）TENG阵列作为人机交互界面及其功能表征。

  图4.压电式自供能水凝胶传感器。（a）PAN-PVDF水凝胶的构成及其机电呼应特性；（b）压电型PVA/PVDF复合水凝胶及其发电才能；（c）P(AM-co-AN)水凝胶的作业原理与压电输出特性。

  图5.热电式自供能水凝胶传感器。（a）热电效应的作业机制；（b）高拉伸性离子水凝胶的热电功能与火灾预警功能；（c）混合离子-电子导电水凝胶的结构与热电功能。纳米纤维膜-微阵列水凝胶；（d）波涛结构可拉伸热电发电机示意图。

  图6.光伏发电式自供能水凝胶传感器。（a）光伏效应的作业原理；（b）根据水凝胶二极管的光酸掺杂光电传感器；（c）纳米纤维素介导的导电水凝胶及其电学功能。

  图7.水伏发电式自供能水凝胶传感器。（a）仿莲花界面蒸腾发电机；（b）用于浸透能搜集的离子选择性水凝胶膜及其在氯化钠溶液和去离子水中的输出电压改变；（c）水冲突发电互补式海洋能发电机及其户外应急使用。

  水凝胶资料因其与人体安排附近的力学功能和优异的生物兼容性，在柔性电子范畴展现出明显优势。根据这些特性，自供能水凝胶传感器近年来在电子皮肤、机器人感知、医疗健康、恢复练习及脑机界面等范畴得到加快速度进行开展，为人机交互界面向可继续、能量自治、智能化方向开展供给了新的技能途径。

  图8.自供能水凝胶传感器使用于智能感知。（a）仿生结构色电子皮肤；（b）仿生多模态电子皮肤及其在人体运动监测中的使用；（c）使用于机器人手的双模态柔性电子皮肤；（d）用于咀嚼监测的热原电池水凝胶电子皮肤；（e）搭载深度学习算法的智能电子皮肤；（f）根据三层水凝胶规划的智能电子皮肤；（g）类皮肤耐性水凝胶电子皮肤。

  图9.自供能水凝胶传感器使用于机器人感知增强。（a）根据MXene水凝胶压力传感器的机器人触觉感知体系；（b）环境适应性水凝胶机器人传感资料；（c）水下机器人用抗疲劳水凝胶应变传感器；（d）环境物体辨认用多模态电子皮肤；（e）软体机器人多模态电子皮肤；（f）具有深海触觉感知的软体机械手；（g）应变-冲突电一体式电子皮肤完成的水下软体机器人抓取体系。

  图10.自供能水凝胶传感器在健康监测中的使用。（a）呼吸监测：ⅰ）用于呼吸监测的水凝胶湿度传感器；ⅱ）非触摸式呼吸监测；（b）汗液监测：ⅰ）汗液中尿素的无创检测；ⅱ)固态表皮生物标志物原位检测；ⅲ）自供电表皮汗液生物标志物监测；（c）运动监测：ⅰ）用于笔迹辨认与深度运动监测的水凝胶应变传感器；ⅱ）多功能水凝胶运动监测传感及创伤愈合。

  图11.自供能水凝胶传感器在恢复练习中的使用。（a）用于恢复监测的仿生压力传感器；（b）恢复练习与长途确诊用多功能导电水凝胶传感器；（c）多孔骨架封装纱线式运动恢复传感器。

  图12.可植入式水凝胶脑机界面。（a）用于长时间脑信号监测的拓扑水凝胶；（b）可打针超声超构凝胶传感器及其作业机制；（c）具有强韧导电水凝胶涂层的神经电极及其在体电生理信号记载测验；（d）HPM-Y型脑神经信号记载与神经调控体系；（e）根据支链淀粉的水凝胶脑机界面探针。

  图13.非侵入式水凝胶脑机界面。（a）啮齿类动物模型中力致电流生成与压电离子神经调控；（b）用于无线脑电记载的PVA-PVP-PDA纳米粒子水凝胶；（c）用于脑电生理的ITO水凝胶电极。

  图14.水凝胶传感器使用于VR和AR。（a）手写辨认；（b）增强触觉感知与力反馈指环。

  图15. AI赋能水凝胶人机界面。（a）承受7天个性化嗅觉练习后的嗅觉才能变异剖析；（b）根据深度神经网络的姿势辨认机器学习原理示意图；（c）练习与实时手语手势辨认的流程架构。

  该总述体系梳理了自供能水凝胶人机界面的资料功能增强战略、自供能机制及其多范畴使用。自供能水凝胶传感器凭仗柔性、生物相容性及自供电特性在电子皮肤、医疗健康、脑机界面及VR/AR中大规模的使用，但其仍面对输出功率低、生物相容性、透气性缺乏及循环安稳性差等应战。未来研究仍需聚集于（ⅰ）多网络交联/纳米复合提高循环安稳性；（ⅱ）复合供能机制完成多源能量转化，增强能量输出；（ⅲ）AI赋能多模态数据剖析与决议计划，推进水凝胶人机界面的进一步智能化开展与使用，以推进水凝胶人机界面向更高层次的智能化开展，终究完成真实自治、高效、智能的人机交互体系。

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