苏炳添/李风煜CRPS综述：各向异性水凝胶解码运动监测中的多维信号 | Cell Press论文速递|纳米|化学|聚合物|cell

苏炳添/李风煜CRPS综述：各向异性水凝胶解码运动监测中的多维信号 | Cell Press论文速递

分享至

物质科学

Physical science

近日，暨南大学苏炳添教授、李风煜教授合作在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上发表了题为“Multidimensional Signal Decoding via Anisotropic Hydrogels for Motion Monitoring”的综述文章。文章对各向异性水凝胶在运动监测领域进行了全面综述，可帮助研究者系统理解该领域的研究现状，为各向异性水凝胶传感器设计开发提供指导。

研究简介

人体运动是生物体内部最复杂精妙的生物力学过程之一。由此产生的多维信号涵盖从基础生理状态到高级神经调控的各个层面。对这些信号的精准监测在竞技体育、运动康复、人机交互及先进诊断领域具有关键意义。因此，通过可穿戴设备实现持续实时监测，用以提升运动表现并评估健康状态的需求日益增长。同时，人体生物系统（如肌肉、皮肤和关节软骨）呈现独特的分层结构，各向异性取向延伸至宏观尺度，这种有序结构对产生独特各向异性功能至关重要。凭借其高含水量、卓越生物相容性及类组织力学特性，水凝胶被视为构建“电子皮肤”的理想材料。各向异性水凝胶传感器（AHS）凭借独特的仿生结构设计，实现了复杂运动信息的精准解耦与多尺度传感，成为运动监测领域的研究热点。然而，尽管学术界已积累了大量实践成果，对运动监测领域的各向异性水凝胶传感器仍缺乏系统分析，对先进设计策略也尚未形成全面梳理。本综述系统阐释了肌纤维排列、AHS设计与运动监测之间的关联，揭示了AHS的仿生设计原理及其提升运动监测效率的关键作用（图1）。同时也聚焦AHS材料的多尺度应用，如微生理信号采集、关节运动分析及现场运动监测。可帮助研究者系统理解该领域的研究现状，为设计开发更高性能的传感器提供指导，在运动监测领域具有重要意义。

图1.各向异性水凝胶传感器 (AHS) 的仿生设计与运动监测。

AHS的材料类型与性能调控

AHS可根据各向异性形成机制及其活性组分的主要功能对材料进行系统分类，例如结构各向异性、导电各向异性和磁各向异性等。研究人员聚焦于兼具高柔韧性、优异导电性与生物相容性的复合体系，既包括聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酰胺（PAM）等传统水凝胶基材，也涵盖纤维素、竹材等天然生物质材料，以及MXene、石墨烯、碳纤维等功能性纳米填料，通过基材与填料的协同复合，为传感器赋予基础力学与电学性能。性能调控则围绕三大核心方向展开（如图2），界面机械设计提升传感器与皮肤的贴合度和耐用性，同时强化网络结构的抗疲劳性能，满足高强度运动监测需求。电学性能定向优化，通过有序导电通路的构建强化信号捕获的灵敏度与方向性，多功能协同调控实现力学、电学、响应性等性能的平衡适配，为复杂场景监测奠定基础。

图2. AHS中界面与力学、电学及多种性能的协同效应。

AHS材料合成策略

各向异性结构的精准构建是AHS发挥定向传感功能的核心前提，目前主要合成方法可分为三大类（图3）。首先是物理模板与先进制造技术，通过平行静电纺丝、3D打印、定向冷冻等手段，直接制备出有序的结构，例如利用平行静电纺丝制备取向Janus纳米带，进而组装成兼具导电与荧光特性的双功能水凝胶阵列膜，实现结构与功能的精准匹配。再者是外场诱导取向策略，借助机械拉伸、磁场、电场等外部物理场，驱动水凝胶内部的聚合物链、纳米填料沿特定方向排列，比如通过拉伸重塑与离子配位交联制备超高强度各向异性导电水凝胶，或利用磁场诱导磁性纳米片定向分布，赋予材料各向力学与导电性能。最后是内驱动自组装方法，依托分子间氢键、疏水作用等非共价键的自发协同作用，引导组分自组装形成有序结构。

图3. AHS材料合成策略

多尺度运动监测

从肌电信号捕捉，到关节屈伸、真实运动场景实时监测，AHS展现多尺度传感能力。其独特的各向异性特质，能够有效解耦复杂运动中的多维信息。微生理信号监测方面，AHS能够敏锐捕捉肌电信号、脉搏波动、面部微表情等细微变化，其定向导电通路可有效屏蔽环境干扰，提升信号采集的信噪比。关节运动监测时，针对腕部、肘部、膝关节等多自由度活动部位，AHS可实现复杂屈伸、扭转动作的多维信息捕获，帮助记录动作幅度、频率和发力强度，提高运动效率。在实时运动场景监测时，AHS的柔性贴合特性与高灵敏度，能够实时量化运动员运动表现，同时传感器数据通过蓝牙连接传输至手机进行实时显示与分析，不仅能识别正确姿势，还能精准判定错误姿势，为运动过程中的动作标准化训练提供数据支撑（图4）。这些研究结果表明，AHS能够在人体处于不同运动状态时，准确且实时地捕捉生理变化。它在运动过程中的健康与表现监测方面展现出巨大潜力，为训练提供指导。

图4. AHS的多尺度运动监测

结论与展望

本综述系统梳理了用于运动监测的AHS的材料类型、性能调控、制备及应用进展。当前，AHS已在结构调控与功能适配方面取得显著突破，但仍面临长期稳定性不足、多性能协同优化难、规模化制备成本高等挑战。因此，未来AHS设计需重点在一下方面展开深入研究：（1）多物理场协同调控，（2）跨尺度设计，从材料、器件到系统的全链条优化，（3）多模态传感能力，更全面地监测运动状态或身体指标。

作者介绍

苏炳添

教授

苏炳添，暨南大学教授（本文共同通讯作者），体育学院院长，“亚洲飞人”将自身顶尖赛场经验转化为短跑领域的理论支撑，深耕科研与教学一线。由暨南大学联合广东省体育局、中国田径协会共建的苏炳添速度研究与训练中心，以运动科技与科学训练为核心方向，着力推动产学研深度融合，为中国短跑事业高质量发展注入强劲动力。

李风煜

教授

李风煜，暨南大学教授（本文共同通讯作者）、博士生导师，国际电工协会印刷电子标准委员会专家。主要从事高效复杂系统分析、聚合物光子晶体与柔性电子器件的研究。发表SCI论文100余篇，包括Anal. Chem. (18)，Nat. Commun. (1)，Adv. Mater. (7)，Angew. Chem. Int. Ed. (4)，CCS Chem. (1)，ACS Nano (4)，Adv. Funct. Mater. (3)，Chem. Sci. (1)，Energ. Environ. Sci. (1)，Small (3)等，17次被选为期刊的封面/内封面文章。申请中国发明专利15项，授权5项，国际专利2项。2015年作为首批中国专家，在国际印刷电子标准委员会中提交中国首个印刷电子国际标准（关于印刷边界波浪起伏测定）。2015年作为执笔人参与起草中国印刷及设备器材工业协会《中国印刷产业技术发展路线图》。2015年中国科学院科技促进发展奖二等奖（第九完成人）；2016年北京市科学技术奖一等奖（第二完成人）。

吴媛媛

硕士研究生

吴媛媛，硕士（本文第一作者），现于暨南大学化学与材料学院攻读硕士学位。主要从事各向异性水凝胶传感与应用的研究。以第二作者在国际期刊Matter，iScience杂志发表了论文

陈永欢

博士研究生

陈永欢，博士（本文第二作者），现于暨南大学化学与材料学院攻读博士学位。主要从事纳米生物传感检测与应用的研究。以第一（含共同）作者在Nat. Commun. (1)、Adv. Mater. (1)、Matter (1)、ACS Nano (1)和Anal. Chem. (3)等发表SCI论文9篇，申请中国发明专利2项。主持获批2025年暨南大学研究生拔尖创新人才培养项目，同年获广东省优秀青年科研人才国际培养计划资助赴香港城市大学访学。2025年研究生国家奖学金；智汇创新·2025年暨南大学研究生创新论坛优秀创新奖；2025年暨南大学生命科学创新奖二等奖。