太原理工&新加坡国立Nature Communications:自供能+多模态感知,开启闭环人机交互新纪元

当前，具有类肤感知能力的电子界面在推动人机融合智能方面展现出巨大潜力，但如何在单一材料系统中同时实现自供能、多模态感知与闭环交互仍是重大挑战。为此，本研究提出一种基于单组分聚乙烯醇水凝胶的电子皮肤，通过巧妙整合热电流效应（温度）、压电离子效应（压力）与扩散效应（汗液电解质），在无需外部供能的情况下实现对体温、动脉脉搏与汗液分泌的同时、实时、非侵入式监测。该水凝胶具有高拉伸性（>800%）与低模量（<300 kPa），并通过棱柱结构设计放大离子极化输出。结合基于长短时记忆网络与局部注意力机制的时序解耦模型，成功实现了对复合信号的高精度分离。进一步集成至主动式多模态信号发生器腕带，该界面不仅可用于生理监测，还可实现手势控制机器人与触觉反馈再现等闭环人机交互功能，为智能交互系统提供了高效、集成的材料平台。

图1：仿生设计与系统集成
a. 水凝胶电子皮肤模仿人类皮肤的三种感知机制：自由神经末梢（温度）→热电流效应；梅克尔细胞（压力）→压电离子效应；鲁菲尼小体（电解质）→扩散效应。
b. 棱柱结构设计示意图，展示其在垂直方向上协同增强三种效应。
c. AMSG腕带整体结构分解：包括信号生成单元（水凝胶传感器阵列）、信号复现单元、柔性电路与封装层。
d. 系统功能示意图：生理信号监测、手势识别与机器人控制、触觉反馈再现。

图2：水凝胶材料的制备与性能
a. 三步溶剂置换法制备流程：冷冻-解冻（FT）→甘油置换（GS）→离子溶液置换（IS）。
b.¹H-NMR谱图，验证溶剂置换过程。
c. 拉伸应力-应变曲线，IS水凝胶兼具低模量与高拉伸性。
d. 韧性-模量对比图，展示本工作水凝胶在力学性能上的优势。
e. 力学增强机制示意图：密集结晶区与离子交联协同作用。
f–h. DSC、XRD与WAXS表征，揭示结晶度变化。
i. 二维相关光谱分析Fe³⁺对氢键网络的扰动。
j. 本工作与已报道水凝胶及生物组织的韧性对比。

图3：多模态感知机制与性能
a–e. 温度传感：
a. 热电流效应原理图；
b. MD模拟Fe²⁺/Fe³⁺在水凝胶中的溶剂化结构；
c. 氧原子径向分布函数与配位数；
d. 不同温差下的输出特性；
e. 电流与温差线性关系。
f–k. 压力传感：
f. 压电离子效应原理；
g. 棱柱结构对输出电流的增强效果；
h. COMSOL模拟离子浓度与电位分布；
i. 电流-压力响应曲线；
j. 应力分布模拟；
k. 桡动脉脉搏波形（P、T、D波清晰可辨）。
l–p. 电解质传感：
l. 不同电极表面接触角对比；
m. 汗液传输电极与传输速率；
n. 扩散效应原理；
o. 不同Na⁺浓度下的电流响应；
p. 10次循环稳定性测试。

图4：基于机器学习的多模信号解耦
a. AMSG腕带模拟多刺激（温度、压力、Na⁺）感知示意图。
b. 信号解耦模型结构：三层LSTM + 局部注意力 + 三层全连接层。
c. LSTM单元内部结构。
d. 复合信号与解耦后各组分的对比。
e. 五种生理状态（放松、行走、跑步、睡眠、发热）下的监测结果与商用传感器对比。
f. 用户界面展示实时波形与监测数据。

图5：闭环人机交互与触觉反馈
a. 手势控制机器人示意图。
b. 10种手势的分类混淆矩阵（准确率97.57%）。
c. PCA降维聚类结果。
d. 用户界面显示手势指令与机器人动作。
e–i. 触觉反馈与安全预警：
e. 机器人手感知温度/压力并回传至用户腕带；
f. 电流大小调制温度与振动反馈强度；
g. 热源接近与远离时的电流响应（红外图）；
h. 抓取纸杯时的电流变化与安全阈值判断；
i. 用户界面显示触觉信号波形与反馈参数。

本研究成功开发了一种基于PVA水凝胶的自供能电子皮肤，通过在同一材料体系中协同热电流、压电离子与扩散效应，实现了对温度、压力与汗液电解质的多模态感知。其高拉伸性与低模量确保了良好的皮肤贴合性，棱柱结构设计显著提升了输出性能。结合机器学习信号解耦与系统级集成，该电子皮肤进一步被构建为AMSG腕带，具备实时健康监测、手势识别与触觉反馈再现等闭环人机交互功能。该研究为下一代智能可穿戴系统提供了高效、集成、自供能的材料平台，未来有望在智能假肢、软体机器人、虚拟现实与远程医疗等领域发挥重要作用。

“A self-powered hydrogel electronic skin with decoupled multimodal sensing for closed-loop human-machine interactions”Nature Communications.

第一作者：Chenhui Bai, Xinyu Dong (共同一作)

通讯作者：张虎林 (zhanghulin@tyut.edu.cn)，翟玮 (mpezwei@nus.edu.sg)

通讯单位：太原理工大学集成电路学院；新加坡国立大学机械工程系