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  近年來，人工智能、大數(shù)據(jù)及擴展現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展，正推動人機交互（HMI）向全域沉浸式場景演進(jìn)。水凝膠材料具有類生物組織特性、高生物相容性及刺激響應(yīng)性，成為柔性HMI界面的理想載體。傳統(tǒng)多功能水凝膠傳感器面臨兩大挑戰(zhàn)：長期使用易因脫水失效，且功能化改造常以犧牲可回收性為代價，加劇了電子廢棄物污染。因此，開發(fā)兼具高精度感知、環(huán)境穩(wěn)定性及全生命周期可循環(huán)的生態(tài)友好型水凝膠傳感器，對構(gòu)建碳中和目標(biāo)下的可持續(xù)HMI技術(shù)體系具有關(guān)鍵意義。

  近日，鄭州大學(xué)申長雨院士、劉春太教授團隊與北京航空航天大學(xué)潘曹峰教授合作，成功研制出一種基于仿生學(xué)設(shè)計的全回收型多功能聚乙烯醇（PVA）基可逆物理交聯(lián)智能水凝膠傳感器（RMSHS）。該研究受自然界"復(fù)蘇植物"極端環(huán)境適應(yīng)機制的啟發(fā)，通過引入可逆分子間作用力和動態(tài)共價鍵，實現(xiàn)了醫(yī)療康復(fù)與智能人機交互（HMI）領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。

  如圖1所示，RMSHS展現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性能（對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑制率達(dá)99.8%）和生物相容性，可直接作為柔性電子皮膚應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練場景。研究團隊結(jié)合無線傳輸技術(shù)和Python編程，基于RMSHS實現(xiàn)了無人機的遠(yuǎn)程實時控制。體系的可回收設(shè)計使失效的水凝膠可通過簡單步驟“復(fù)活”，可實現(xiàn)環(huán)保特性，可為智能穿戴設(shè)備領(lǐng)域提供可持續(xù)發(fā)展的范式。

圖1. 可回收多功能水凝膠傳感器的多場景人機交互應(yīng)用

圖2. 可回收多功能傳感器的抗菌、生物相容性表征及機理

  如圖2所示，研究團隊研究了RMSHS的雙重抗菌機制：基于氮摻雜碳量子點（N-CQDs）與季銨化殼聚糖（QCS）的靜電富集效應(yīng)，構(gòu)建了"陽離子靶向-基因級聯(lián)破壞"協(xié)同抑菌體系；RMSHS對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的協(xié)同殺菌率均超過99.8%，其抗菌機制源于QCS的陽離子結(jié)構(gòu)與N-CQDs的基因破壞作用。體系可有效降低人體表皮細(xì)胞代謝產(chǎn)生的如汗液等廢物在傳感器處聚集導(dǎo)致的細(xì)菌滋生問題。此外，細(xì)胞實驗證實，RMSHS對GES-1細(xì)胞無毒性，表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性。

圖3. RMSHS的可回收性能及機制

  如圖3所示，失效的RMSHS可通過干燥后加水加熱再生的方式回收，實現(xiàn)類似苔蘚類植物那樣的“復(fù)活”效果。原位紅外光譜（VT-FTIR）和二維相關(guān)光譜（2Dcos）分析表明，加熱過程中氫鍵斷裂，硼酸酯鍵形成，體系實現(xiàn)了分子間作用力的動態(tài)平衡。文章闡釋了凝膠基傳感器在回收過程中分子間作用力變化以及動態(tài)的轉(zhuǎn)變順序。

圖4. 可回收多功能傳感器的應(yīng)變傳感機理及其人體運動監(jiān)測中的應(yīng)用

  如圖4，RMSHS具有低檢測限（1%應(yīng)變）、快速響應(yīng)/恢復(fù)時間（160/200 ms）和優(yōu)異的傳感穩(wěn)定性。其電阻變化與應(yīng)變呈線性關(guān)系，且不受拉伸速度影響。自修復(fù)后的RMSHS仍能保持穩(wěn)定的傳感性能，可用于運動監(jiān)測（如羽毛球揮拍動作分析）。RMSHS與機器人結(jié)合構(gòu)建了智能康復(fù)系統(tǒng)，可實時監(jiān)測患者手指彎曲角度，并通過Python算法識別不同手勢。體系可為醫(yī)生獲取遠(yuǎn)程訓(xùn)練數(shù)據(jù)并提供診斷建議，減輕醫(yī)療負(fù)擔(dān)（圖5）。

圖5. 基于可回收多功能傳感器的智能康復(fù)系統(tǒng)的應(yīng)用

圖6. 可回收多功能傳感器在遠(yuǎn)程操控中的應(yīng)用

  得益于傳感器優(yōu)異的穩(wěn)定性，借助單通道多閾值設(shè)定，RMSHS基于三通道系統(tǒng)實現(xiàn)了對三自由度無人機的控制。例如，食指彎曲控制無人機水平旋轉(zhuǎn)，中指和無名指控制垂直升降。該系統(tǒng)可擴展至其他遠(yuǎn)程控制平臺，為智慧城市建設(shè)提供支持（圖6）。

  相關(guān)成果以“Eco-friendly Multifunctional Hydrogel Sensors Enabled Sustainable and Accurate Human-Machine Interaction System”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。鄭州大學(xué)為第一作者單位，碩士研究生趙彥龍為論文第一作者，鄭州大學(xué)翟威副教授、代坤教授和北京航空航天大學(xué)潘曹峰教授為共同通訊作者。

  全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202507127