中山大学AM：这款仿生压力传感器，透气又抗拉伸，还能辅助早筛阿尔茨海默病

神经退行性疾病（如阿尔茨海默病和帕金森病）在全球老龄化社会中负担日益加重，但早期筛查仍依赖医院内的观察量表和手部灵活性测试，难以实现客观、连续、院外评估。柔性压力传感器虽在可穿戴健康监测领域潜力巨大，却长期面临两大瓶颈：一是拉伸运动产生的法向压缩分量会导致基线漂移和信号伪影，使传感器难以区分真实触摸与无关动作；二是传统敏感层与电极多依赖致密材料，透气性差，长时间贴肤佩戴易引起不适。如何同时实现应变不敏感、高传感性能与良好透气性，成为该领域亟待突破的核心难题。

针对上述挑战，中山大学吴进副教授课题组提出了一种仿生互锁分级异质结构（BIHH），通过将多孔离子凝胶活化气流成网纸（IG-AP）锚定到可拉伸双尺度多孔激光诱导石墨烯（P-LIG）电极上，构建出高度可拉伸、应变不敏感且透气的SIB压力传感器（图1a）。该结构利用模量梯度异质机械网络诱导界面应变分配：拉伸应变沿低模量多孔Ecoflex骨架耗散，而高模量IG-AP压力敏感域被机械锁定，从而在100%应变下仅产生2%的信号变化。同时，分级多孔微结构兼顾了高性能离子电子压力传感与皮肤适形透气性。结合人工智能算法，五通道手指敲击评估系统在区分不同敲击模式时达到97%的准确率，为神经退行性疾病的早期辅助筛查和康复评估提供了新工具。相关论文以“Bioinspired Interlocking Hierarchical Heterostructures Endow Iontronic Pressure Sensors With Superior Strain Insensitivity, Air Permeability, and Sensing Performance for Neurodegenerative Disease Assessment”为题，发表在Advanced Materials上。

仿生设计：从根-土界面到互锁异质结构。自然界的植物根系深入土壤形成广泛网络，增加接触面积，增强界面稳定性与锚固。研究团队受此启发，在多孔IG-AP与上下两层P-LIG电极之间构建了互锁界面（图1b）。IG-AP的三维纤维多孔网络为弹性体提供了渗透和机械互锁的间隙位点，使不同模量组件之间形成稳固连接。

图1基于BIHH的SIB压力传感器的设计及其应用。（a）受根-土结构设计启发的BIHH压力传感系统概念图，用于神经退行性疾病的手指敲击评估。（b）BIHH示意图及SIB压力传感器相应的界面互锁机制。插图：P-LIG电极和IG-AP的SEM图像。

材料与透气性：多孔结构一举两得。器件的透气性源于三层多孔结构的协同：P-LIG电极中P-Ecoflex的大孔与LIG的小孔形成双尺度互穿网络（图2d、2e），IG-AP则保留了气流成网纸固有的三维多孔纤维形态（图2a、2b）。这种结构不仅为双电层形成提供了更大的压力敏感接触面积变化，还建立了连续的水汽传输通道。实测水蒸气传输率达261.5 ± 28.2 g/m²/day，超过人体正常皮肤的204 ± 12 g/m²/day（图2i）。在氨气透过演示中，传感器覆盖氢氧化铵瓶口，渗透的氨气与另一瓶中的盐酸反应生成白色氯化铵烟雾（图2g）；一周水损失实验显示多孔器件的水分散失约为无孔器件的四倍（图2h）。贴肤6小时测试中，器件未引起可见皮肤不良反应，而致密PI和PET薄膜则因汗液积累变白，间接证明了其实际佩戴舒适性。

图2基于BIHH的压力传感器的表征。（a, b）原始AP和IG-AP的SEM图像。（c）P-LIG电极的照片。（d）P-LIG电极的横截面SEM图像。（e）显示P-LIG电极中LIG的SEM图像。（f）转移前后LIG的拉曼光谱。（g）显示NH4Cl白色烟雾形成的照片：一个装有盐酸的敞口玻璃瓶和另一个装有氢氧化铵的玻璃瓶，上面覆盖着SIB传感器。（h）两个烧杯中去离子水的质量损失比较：一个由多孔P-LIG电极基器件覆盖，另一个由无孔N-LIG电极基器件覆盖。（i）多孔和无孔器件的WVTR。

应变隔离机制：模量异质网络驱动界面应变分配。这一设计的关键在于：IG-AP经离子凝胶功能化后杨氏模量达185.1 MPa，而P-Ecoflex仅为62.5 kPa，两者相差三个数量级（图3a）。在拉伸时，低模量P-Ecoflex桥吸收绝大部分应变，高模量IG-AP区域则保持几何稳定，形成应变隔离区域（图3b）。IG-AP/P-Ecoflex界面形成稳固的机械互锁（图3c），拉伸断裂最终发生在P-Ecoflex桥内而非界面处（图3d）。有限元模拟和实验均证实，互锁界面将高应变限制在软基质中，传感区域应变趋近于零；而无互锁器件则出现明显LIG变形和信号漂移（图3g、3h、3i）。在100%应变下，SIB传感器的应变干扰仅约2%，相比无互锁器件的约560%实现了约99.6%的抑制（图3j）。

图3基于BIHH的SIB传感器的关键组件和设计原理。（a）传感器中原始AP、IG-AP和P-Ecoflex组分的应力-应变曲线及推导模量。（b）BIHH内IG-AP/P-Ecoflex复合异质结构中界面应变分配机制的示意图。（c）IG-AP/P-Ecoflex界面的横截面SEM图像。（d）IG-AP/P-Ecoflex复合材料随应变增加的力学行为演变，揭示拉伸和断裂发生在P-Ecoflex桥内而非界面处。（e,f）基于BIHH的SIB压力传感器的横截面示意图和SEM图像。（g,h）显示具有和不具有界面互锁的传感器中LIG电极在0%和100%整体应变下长度变化的照片。（i）具有和不具有界面互锁的传感器在不同拉伸水平（0%、50%和100%）下应变分布的FEA模拟。（j）具有和不具有界面互锁的传感器在100次100%拉伸应变循环期间的相对电容变化。

压力传感：高灵敏与宽量程兼得。与传统静电电容传感器不同，SIB传感器利用离子-电子界面形成的双电层电容效应（图4b）。施加电压时，LIG电极表面电荷吸引IG-AP中的相反离子，形成大量电子-离子对和超高单位面积电容的EDL微电容器。压缩时界面接触面积急剧增加，显著放大电容响应（图4a）。IG-AP的分级多孔结构在压缩下发生应力集中和局部致密化，进一步扩大零间隙接触区域（图4c）。优化后的传感器在60 kPa以下灵敏度约2 kPa⁻¹，工作范围延伸至310 kPa（图4d），响应/恢复时间仅40 ms（图4f），检测限低至10 mg，并在6000次循环后保持稳定（图4g）。值得注意的是，这些性能在不同拉伸状态下几乎不变（图4e），实现了边拉伸边准确测压。

图4压力传感性能。（a）不同中间介电层（原始AP、IG薄膜和IG-AP）下ΔC/C0响应随施加压力的变化。（b）基于BIHH的SIB传感器响应压力的工作机制。（c）FEA模拟结果，显示分级IG-AP压缩前后的应力分布。在不同应变条件下：（d）SIB传感器响应与压力的关系，（e）传感器在不同应变下的重复性测试。（f）SIB传感器的响应/恢复时间分析。（g）在20 kPa压力下6000次加载/卸载循环的稳定性评估。我们的传感器与最近报道的可拉伸压力传感器的性能比较，详述（h）应变干扰与工作范围，以及（i）整体指标的综合雷达图。

疾病评估：五通道手指敲击+AI识别。研究团队将SIB传感器固定于五指指尖，结合无线采集电路，构建了五通道手指敲击评估系统（图5a）。通过食指敲击和四指敲击两种范式（图5b、5f），系统记录了健康老年人、轻度认知障碍、阿尔茨海默病和帕金森病四类人群的敲击间隔与准确性（图5c、5d、5g）。结果显示：MCI患者敲击间隔延长但节奏一致，体现代偿策略（图5e）；AD患者速度与健康人相当但准确性明显下降，反映抑制控制与错误监测受损（图5h、5i）；PD患者动作极慢但准确性保留，体现运动迟缓特征。引入节拍器提示后，MCI和PD患者敲击速度明显改善。基于这些特征，轻量级AI模型对四类人群的识别准确率达到约97%（图5k），为神经退行性疾病的客观、无创、院外初步筛查提供了可行路径（图5j）。

图5基于BIHH的SIB压力传感器在无线手指敲击模式识别中的应用。（a）无线五通道传感模块的示意图。（b）食指敲击测试流程的照片。（c, d）食指敲击测试的示例响应曲线及敲击之间的时间间隔。（e）四个诊断组的食指敲击时间间隔。（f）四指敲击测试流程的照片。（g）四指敲击测试的示例响应曲线及两次正确敲击循环之间时间间隔的定义。（h, i）四个诊断组的四指敲击时间间隔和准确性特征。（j）医生通过手指敲击评估系统评估患者神经状况的示意图。（k）不同患者手指敲击模式识别的混淆矩阵结果。

生理监测与触觉感知：从呼吸到脉搏再到阵列成像。得益于应变不敏感特性，SIB传感器在指骨处弯曲时基线稳定，而无界面互锁的传感器则出现明显漂移（图6a、6b）。将传感器集成到普通口罩中，可清晰区分深呼吸、浅呼吸和呼吸暂停的波形（图6d）；集成到充气垫中，可在充放气过程中稳定记录98 bpm的脉搏波，清晰显示P波、T波和D波（图6e）。在2×2阵列中，具有界面互锁设计的传感器在曲面压缩时相邻单元串扰显著降低（图6f）；2×3阵列贴附于弯曲皮肤表面，可准确映射单点、两点、三点和滑动触摸（图6g），展现出作为电子皮肤和人机交互输入平台的潜力。

图6使用BIHH驱动的SIB传感器检测人体生理信号和外部触觉感知。（a,b）放置在指骨上的传感器（具有/不具有界面互锁）在手指平放和弯曲状态下对外部触摸刺激的触觉响应曲线。（c）放置在手腕上的SIB传感器在放松和弯曲状态下的触觉感知。（d）将SIB传感器安装到普通面罩中用于监测各种呼吸模式。（e）集成到充气垫中的SIB传感器在充气、脉搏测量和放气过程中的响应变化。（f）在泡沫基底上具有和不具有界面互锁的2×2传感器阵列在变形时单元之间的串扰。（g）附着在弯曲皮肤上的2×3 SIB传感器阵列对不同手指触摸模式的响应映射。

总结与展望

该研究通过仿生互锁分级异质结构，在单一可拉伸压力传感平台中同时实现了应变不敏感、高压力传感性能和良好透气性。高模量IG-AP压力敏感区与外部拉伸机械隔离，100%应变下应变干扰仅2%；分级多孔结构既放大了双电层接触面积变化，又提供了连续水汽通道。结合无线采集与AI算法，五通道手指敲击系统对四类神经退行性疾病相关人群的识别准确率达97%。此外，该传感器还可准确监测呼吸、脉搏等生理信号，并在阵列触觉成像中表现出低串扰优势。这一设计策略为开发无运动干扰、高性能、可穿戴的压力传感器提供了新思路，也为神经退行性疾病的早期筛查和康复评估开辟了院外、连续、客观监测的新途径。