系统解读各向异性水凝胶解码运动监测中的多维信号

原标题：苏炳添发表Cell子刊论文：系统解读各向异性水凝胶解码运动监测中的多维信号

在体育竞赛、康复训练以及多功能电子皮肤的需求驱动下，用于持续实时监测复杂活动的可穿戴水凝胶传感器正在被设计和开发。仿生设计的各向异性水凝胶传感器（Anisotropic Hydrogel Sensor，AHS）能够将复杂的运动信息与多尺度传感解耦，为提高运动监测效率提供了一种很有前景的方法。

2026 年 2 月 18 日，暨南大学化学与材料科学学院李风煜教授、暨南大学体育学院苏炳添教授作为共同通讯作者（吴媛媛为论文第一作者），在 Cell 子刊Cell Reports Physical Science上发表了题为：Multidimensional Signal Decoding via Anisotropic Hydrogels for Motion Monitoring的综述论文。

该综述论文回顾了用于运动监测的各向异性水凝胶传感器（AHS）的最新进展，系统地介绍了各向异性水凝胶的材料类型和性能调优策略，其中性能调优主要涉及界面和机械设计、有针对性地优化电学性能以及协同调控多种功能。该综述还总结了各向异性水凝胶的各种合成方法（包括冰模板法、3D 打印、静电纺丝和分子自组装），还从多尺度的角度深入探讨了各向异性水凝胶传感器（AHS）在运动传感中的应用，并探讨了 AHS 所面临的挑战以及未来的发展方向。

人体运动是生物体内最为复杂和精妙的生物力学过程之一。其产生的多维信号贯穿各个层面，从基本的生理状态到高级的神经调节。对这些信号的精确监测在竞技体育、运动康复、人机交互以及高级诊断等领域具有至关重要的意义。因此，通过可穿戴设备实现连续、实时监测的需求日益增长，以提升运动表现和评估健康状况。同时，人体生物系统（如肌肉、皮肤和关节软骨）呈现出独特的层级结构，各向异性的取向延伸至宏观尺度。例如，肌肉收缩机制依赖于肌节内肌动蛋白和肌球蛋白的各向异性排列。这种有序结构对于产生独特的各向异性功能至关重要，比如定向运动和减震。

在人类众多的生理感知机制中，电生理信号能够对内部组织或器官的状态做出快速反应。然而，传统的刚性电子传感器由于机械模量不匹配、舒适度差以及无法捕捉微生理信号等固有缺陷，难以满足下一代可穿戴设备的需求。柔性电子技术的出现，尤其是基于水凝胶的传感器，为这一难题提供了极具前景的解决方案。

水凝胶是由亲水性聚合物构成的 3D 网络结构，具有足够的柔韧性，可像天然组织一样发挥作用。由于其高含水量、出色的生物相容性和类似组织的机械性能，水凝胶被视为构建“电子皮肤”的理想材料。然而，绝大多数水凝胶传感器采用各向同性设计，其中随机的聚合物网络在各个方向上具有相同的物理性质，这限制了它们在监测复杂运动方面的应用。这往往会导致信号耦合失真和高误识别率。此外，它们的机械性能与天然各向异性的人体组织不匹配，容易引起界面应力集中。这会导致运动伪影和穿戴不适。

因此，各向异性水凝胶（在不同空间方向上具有不同的物理化学性质）正成为解决这些挑战的关键策略。通过模仿生物组织的有序微观结构，各向异性水凝胶在机械和电学性能上实现了方向依赖性，为运动信号的方向捕获和分离分析提供了物理基础。

受线性排列的肌肉纤维以及通过氢键实现的层状束交联的启发，人体肌肉展现出卓越的机械性能和各向异性。该综述图示说明了肌肉纤维排列、各向异性水凝胶设计与运动监测之间的关系，阐明了各向异性水凝胶的仿生设计原理及其在提高运动监测效率方面的关键作用。越来越多具有定向内部网络的各向异性水凝胶被制造出来。它们的有序结构赋予了各向异性功能特性。当集成到运动监测设备中时，这些各向异性水凝胶能够实现有效的信号解耦（例如区分不同方向的运动），从而提高运动信号采集和分析的准确性和可靠性。因此，该综述从四个维度总结了各向异性水凝胶传感器（AHS）在运动监测方面的最新进展。首先，基于其各向异性形成机制和核心功能组件探讨了用于运动监测的 AHS 的材料类型。其次，研究了性能调优策略以及相应的制造方法，以满足复杂的运动监测需求，并重点关注了 AHS 的多尺度应用，例如微生理信号采集、关节运动分析和现场运动监测。最后，概述了 AHS 的未来发展方向。

AHS 的仿生设计和运动监测

过去二十年各向异性水凝胶材料的发展

各向异性水凝胶的结构

在 AHS 中的界面以及机械、电学和协同的多重性能

AHS 的制造

用于运动监测的 AHS 中微生理信号的捕获

AHS 用于关节运动分析

动态环境中基于 AHS 的运动监测

通过超越传统各向同性材料的功能局限性，各向异性水凝胶传感器（AHS）能够实现复杂运动信息的定向解码和多尺度感知，推动可穿戴电子产品从“感知”向“认知”发展。该综述回顾了各向异性水凝胶开发的最新进展及其在运动传感中的应用。按材料类型、性能调节和制造策略对各向异性水凝胶进行了分类。详细讨论了 AHS 在运动传感中的多尺度应用。这一研究领域为未来的发展提供了重大机遇，同时也面临着重大挑战：首先，要在机械性能和功能兼容性之间取得平衡。现有的方法通过引入配位网络或纳米填料来增强机械强度，但过度交联可能会损害离子导电性。例如，动态氢键和拓扑缠结实现了低滞后和高韧性，但还需要进一步探索以增强耐疲劳性，同时保持高灵敏度。逐层组装的多层水凝胶可能会因界面结合不足而分层。

此外，各向异性调节的精度和稳定性还需要进一步协调。尽管Janus 表面（在同一材料或结构的两个相对面或区域内，具有截然不同的化学组成、物理性质或功能）设计实现了高达 1.12×105的导电各向异性，但在复杂运动中保持稳定的定向响应仍具挑战性。例如，预拉伸诱导的取向结构在长期循环加载下可能会松弛，导致灵敏度下降。此外，虽然电场或磁场等外部刺激可以调节各向异性，但它们可能会导致材料降解或电化学副反应。第三，在复杂环境中的信号可靠性仍是一个问题。水下运动监测面临膨胀和离子干扰问题，环境因素可能会产生机械噪声。皮肤与传感器界面的粘附不足会导致信号漂移。

最后，制造工艺面临可扩展性瓶颈。静电纺丝和 3D 打印等技术能够实现微观结构控制，但复杂的工艺限制了大规模生产的效率。先进可穿戴健康系统的发展处于材料创新、智能传感和应用进步的交汇点。未来的突破必须聚焦于两项核心技术，即多物理场协同调控和跨尺度结构设计，同时加强从材料到器件再到系统的全链条优化。通过整合自修复、可生物降解和多模态传感功能，这些先进可穿戴健康系统有望在运动医学、竞技体育和老龄化健康管理等领域实现大规模应用，最终推动柔性电子与精准医疗的深度融合。

论文链接：

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(26)00023-8