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  水凝膠在可穿戴傳感領域的應用前景廣闊，但往往存在機械性能低、保水性差、靈敏度低、功能單一等問題。在此，該工作提出了一種基于水凝膠的柔性多模態接近/壓力/溫度電子皮膚（H-PPT），用于監測人類睡眠行為的健康管理系統。

  近期，濟大王鵬博士/山大李陽教授/河北工大孟垂舟教授/青島大學姚釗副教授聯合在Nano-Micro Letters上發表了題為“A Flexible-Integrated Multimodal Hydrogel-Based Sensing Patch” 的研究成果。濟南大學機械工程學院青年英才崗王鵬博士與濟南大學信息科學與工程學院碩士研究生王國慶為該論文共同第一作者，該論文提出了一種基于水凝膠的柔性多模態接近/壓力/溫度電子皮膚（H-PPT），水凝膠具有良好的機械性能以及保水性，用以確保傳感性能的穩定。水凝膠層實現了0.5 ℃^?1的溫度傳感靈敏度。由于離子超電容傳感機制，該壓力傳感器在1 kPa的低壓時具有30.6 kPa^-1的高靈敏度，在40 kPa的高壓時具有26.3 kPa^-1的高靈敏度，響應/恢復時間為5.6 ms，并且得益于在摩擦電聚偏氟乙烯(PVDF)摩擦層中引入二維MXene，該非接觸式傳感器具有超過2 m的超寬非接觸式檢測范圍和良好的循環穩定性。

圖1 應用在人體睡眠監測的水凝膠基接近/壓力/溫度傳感器的結構設計與表征. (A) 水凝膠基壓力-溫度傳感器的制備流程以及內部所含有的離子交聯結構. (B) 接近/壓力/溫度傳感器的3維結構、功能、應用以及實物圖展示. (C) 水凝膠的FTIR光譜分析. (D) 水凝膠的拉曼光譜分析. (E) 水凝膠可以被制作成蝴蝶、寵物犬、火烈鳥等各種形狀，以及水凝膠的拉伸性展示.

圖3 壓力傳感器的性能特點以及機制. (A) 水凝膠壓力傳感層的表面微結構SEM圖像表征. (B) COMSOL仿真施加壓力過程. (C) 壓力傳感器的靈敏度曲線. (D) 壓力傳感器的響應恢復時間. (E) 傳感器的最低檢測限. (F) 不同頻率負載下的信號變化. (G) 不同溫度下對傳感器的壓力性能的影響. (H) 不同壓力下對溫度傳感性能的影響. (I) 與目前已報道的工作進行性能的比較. (J) 用手去抓握裝有不同含量水的杯子.

圖4 接近式傳感層的性能特點以及機理. (A) 摩擦電接近式傳感層垂直模式的工作原理示意圖. (B) 使用直線電機將接近式傳感層與不同種類材料進行碰撞摩擦測試. (C) 接近式傳感層與不同種類材料的測試電壓對比. (D) 接近式傳感層與尼龍材料進行電流測試. (E) 傳感層與尼龍材料進行電荷測試. (F) 傳感層與尼龍材料進行電壓測試. (G) 不同的溫度下對測試電壓的影響. (H) 測試電壓隨著相隔距離的增加而減小. (I) 接近式傳感的COMSOL仿真測試. (J) 不同負載下的峰值功率. (K) 不同測試頻率下的電壓變化.

圖5 機械手模擬現實中的多模態傳感. (A) 機械電信號與神經信號的概念圖. (B) 三種傳感模態信號的特征. (C) 機械手模擬初始-接近-接觸-遠離四種狀態. (D) 在初始-接近-接觸-遠離四種狀態下的三種模態傳感的信號變化. (E)接近/壓力/溫度三種不同信號變化進行結合，并進行多次循環測試.

圖6 應用在人體睡眠監測的多模態傳感綜合系統. (A) 三個多模態傳感器分別貼在枕頭不同位置，預防潛在的健康風險. (B) 人體躺下時多模態傳感器的信號響應. (C) 人體向右側轉身時多模態傳感器的信號響應. (D) 人體向左側轉身時多模態傳感器的信號響應. (E) 人體分別在躺下、起床、打鼾、右側轉身和左側轉身等五種睡眠狀態下的傳感器的信號變化. (F)五種不同睡眠狀態使用1D CNN訓練，識別成功率97.6%.

作者介紹

  王鵬：濟南大學機械工程學院教師，碩士生導師，校聘青年英才崗，研究方向為柔性傳感器，重點突破柔性傳感在實用化過程中遇到的傳感材質柔彈性差、傳感器件靈敏度低和可穿戴性差等瓶頸問題，并取得了一定的研究成果與獎勵。以第一作者/通訊作者在領域國內外重要期刊Nano Micro Letters、InfoMat、Advanced Fiber Materials、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、Advanced Electronic Materials、Advanced Materials Interfaces、Nanoscale等發表論文33篇，包括17篇中科院一區Top期刊，2篇ESI前1%高被引論文；申請發明專利17項，授權4項；獲得天津市創新獎學金1次（2022年），天津市王克昌文化科技獎學金1次，博士研究生國家獎學金2次（2021年與2022年）；河北省優秀研究生畢業生1次（2023年），河北工業大學優秀博士論文（2024年），河北工業大學學術之星1次（2022年）；多次參加學術會議并做分會場報告。個人主頁：https://faculty.ujn.edu.cn/wangpeng1/zh_CN/index/149227/list.

  李陽：山東大學集成電路學院教授，博士生導師，IEEE高級會員，科技部中韓青年科學家、山東省泰山學者青年專家、山東省高校集成電路創新團隊帶頭人、山東省優青、山東省青年科技人才托舉工程入選者、齊魯青年學者，主持國家自然科學基金項目、科技部項目、山東省優秀青年基金項目、山東省重點研發計劃項目等省部級以上項目10余項。主要研究領域：新一代半導體材料與器件；“傳感存算一體化”芯片系統。已累計發表SCI檢索論文100余篇，其中以第一作者/通訊作者在Chem. Soc. Rev.、Matter、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、IEEE Trans. Electron, Dev. 等領域內頂尖期刊上發表中科院一區文章45篇，包含封面文章10篇，授權國家發明專利15項，韓國發明專利11項。

  孟垂舟：河北工業大學機械工程學院特聘教授，博士生導師。國家海外高層次人才引進計劃青年特聘專家、河北省海外高層次青年人才、河北省僑聯僑界專家委員會委員。清華大學物理學學士、博士學位，曾任職美國普渡大學生物醫學工程系博士后研究員、美國IBM半導體研發中心高級工程師、新奧集團能源研究院石墨烯/儲能/能源新材料等技術中心主任。長期從事新型納米材料和高分子彈性體的制備研究，以及其在能源轉換與存儲、生物醫學傳感、柔性電子皮膚、可穿戴健康設備、和健康護理裝備上的應用開發。

  姚釗：青島大學電子信息學院副教授，碩士生導師。從事射頻無源集成器件與電路、射頻生物傳感器及新型柔性電子器件的研究。發表高水平論文50余篇；出版英文著作1部；授權中國和韓國發明專利14項，實現成果轉化1項。目前主持國家自然科學基金2項，科技部中韓青年科學家交流計劃項目1項，山東省高等學校青創團隊、山東省自然基金、山東省高校科研計劃項目3項，教育部產學合作協同育人項目5項。入選科技部中韓青年科學家，山東省高等學校智能生物傳感交叉研究青創團隊帶頭人，IEEE高級會員，IEEE青島分會副主席，山東生物醫學工程學會康復工程專委會委員。

  原文信息

  Wang, P., Wang, G., Sun, G. et al. A Flexible-Integrated Multimodal Hydrogel-Based Sensing Patch. Nano-Micro Lett. 17, 156 (2025). 

  https://doi.org/10.1007/s40820-025-01656-w