皮肤启发的超线性柔性离子电子压力传感器实现医疗级可穿戴骨骼肌肉监测

针对运动性胫骨应力骨折监测需求，研究人员开发了一种结合织物微结构(α P1/3接触面积)和离子薄膜(α P2/3离子调控)的双机制柔性离子电子压力传感器(FIPS)，实现了242 kPa-1灵敏度、0.997线性度(0-1 MPa)和创纪录的242,000线性传感因子(LSF)，医疗级验证显示其地面反作用力(GRF)误差仅1.8%，为可穿戴生物力学监测树立新标准。

　　

运动爱好者常面临胫骨应力性骨折的困扰，这类损伤占运动伤害的6-20%，但现有监测手段如侵入式应变仪或昂贵的光学动作捕捉系统难以满足日常需求。传统柔性压力传感器在灵敏度与线性范围间存在固有矛盾，非线性误差高达≥5% F.S.，严重制约其在生物力学监测中的应用。受皮肤触觉机制启发——其真皮层结构实现宽压力适应而离子通道调节保持电信号线性——Pei Li等人在《Nano-Micro Letters》发表研究，通过仿生设计突破这一技术瓶颈。

研究团队采用多学科交叉方法：通过COMSOL多物理场模拟分析离子纺织品变形与电场演变；建立五因素理论模型阐明压力-电容关系；采用标准化工艺批量制备柔性离子电子压力传感(FIPS)鞋垫；结合OpenSim Gait2392模型进行生物力学仿真；开发基于BiLSTM_Attention算法的GRF预测模型；并通过半监督微调方法实现户外场景适应性优化。

【机制与设计】研究创新性地将织物微结构(产生αP^1/3接触面积变化)与离子薄膜(产生αP^2/3离子浓度重分布)耦合，使非线性因素相互补偿形成线性响应(C∝P)。理论推导显示局部离子浓度与接触面积分别遵循P^2/3和P^1/3幂律关系，其协同作用产生线性电容-压力响应。SEM和能谱分析证实离子凝胶(PVA/H₃PO₄)完全渗透织物纤维，COMSOL模拟显示织物网络承担主要机械应力，避免离子凝胶硬化。

【优化与表征】通过系统优化发现13 wt% H₃PO₄含量、200μm叉指间距时性能最佳，灵敏度达242 kPa^-1，在1 MPa内保持R²=0.997线性度。PDMS封装使传感器在912小时内灵敏度衰减<10%，11,000次循环测试显示优异稳定性。传感器可同时检测脉搏(1 kHz)和汽车轮胎压力(0.03%分辨率)，实现32×32阵列扩展。

【穿戴式监测】集成FIPS的智能鞋垫通过BiLSTM_Attention算法实现GRF预测，误差仅1.8%，显著优于非线性传感器的6.5%。有限元模拟显示胫骨远端1/3处出现最大应力(0.46-0.63秒)，与文献报道一致。户外测试采用伪标签生成和一致性正则化方法，使水泥地、塑胶跑道和草地行走的GRF预测具有高度一致性。

该研究通过机理协同工程建立高性能线性柔性传感器的通用范式，双机制设计使LSF达到242,000的创纪录值。医疗级验证证实其在运动医学、康复机器人和人机接口等领域的变革潜力，为可穿戴生物力学监测设备的发展提供了普适性设计框架。研究获得国家自然科学基金(52175281, 52475315)和中国科学院青年创新促进会(2021382)支持。