康復訓練監(jiān)測是促進患者器官功能恢復及健康維持的核心手段。然而，現(xiàn)有的摩擦電壓力傳感技術(shù)受限于動態(tài)響應范圍有限及高載荷下靈敏度衰減，無法滿足精準康復監(jiān)測的臨床需求。因此，突破寬量程、高靈敏摩擦電傳感織物的制備技術(shù)，對于推動智能可穿戴醫(yī)療設備的臨床轉(zhuǎn)化，具有重要的戰(zhàn)略價值。
近期，香港理工大學黃琪瑤課題組在Advanced Fiber Materials上發(fā)表了題為“Skin-inspired，Permeable，Structure-gradient Fiber Mats for Pressure Sensing in Rehabilitation Assistance”的研究成果。該研究設計出一種模擬人體皮膚特性的透氣梯度結(jié)構(gòu)纖維氈（Structure-Gradient Fiber Mat，SGFM），用于摩擦電壓力傳感織物的合成。基于模板輔助逐層靜電紡絲技術(shù)制備的SGFM，成功模擬了人體皮膚的機械梯度特性。這種獨特的結(jié)構(gòu)設計使得SGFM基摩擦電壓力傳感織物展現(xiàn)出優(yōu)異的傳感性能，其在0~53 kPa和53~660 kPa壓力范圍內(nèi)，分別實現(xiàn)了0.068 kPa-1和0.013 kPa-1的高靈敏度。進一步將該材料集成于可穿戴康復監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對脈搏信號、股四頭肌活動狀態(tài)及足底壓力的實時監(jiān)測，為姿勢追蹤與矯正提供了可靠的技術(shù)支持。這一創(chuàng)新成果在提升康復輔助效率方面展現(xiàn)出顯著的應用潛力，為智能康復設備的發(fā)展提供了新的解決方案。
研究團隊采用模板輔助的逐層靜電紡絲方法構(gòu)建SGFM的梯度結(jié)構(gòu)，通過調(diào)控紡絲溶液中功能材料的比例來實現(xiàn)其梯度特性。在靜電紡絲過程中，以金屬網(wǎng)收集器為模板，使SGFM表面形成類似人類皮膚紋理的凸起結(jié)構(gòu)。纖維氈的結(jié)構(gòu)從頂部到底部的纖維分布逐漸由致密變得疏松。由于纖維氈的多孔結(jié)構(gòu)，SGFM表現(xiàn)出優(yōu)異的透氣性（74 mm/s）和透濕性（528 g/（m2·d）），與棉織物相當，且顯著優(yōu)于硅橡膠，突顯了其穿戴舒適性。
圖1 SGFM的形貌及透氣透濕性表征
采用逐層靜電紡絲工藝調(diào)控碳納米管（CNT）濃度，誘導纖維氈結(jié)構(gòu)的漸進性轉(zhuǎn)變，構(gòu)建出的SGFM在厚度方向上實現(xiàn)了材料組成、介電常數(shù)和機械性能的多方面梯度分布。這種多尺度梯度結(jié)構(gòu)有效增強了傳感器的靈敏度和壓力檢測范圍。
圖2 SGFM介電性能與機械性能表征
施加壓力從5 kPa增加到660 kPa，基于SGFM的摩擦電壓力傳感織物的開路電壓從1.1 V增至11.1 V，展現(xiàn)出寬壓力范圍內(nèi)的高靈敏度。得益于SGFM的高相對介電常數(shù)、低介電損耗及獨特的梯度結(jié)構(gòu)，該壓力傳感織物在大壓力范圍內(nèi)的綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)HFM和HFM-BTO織物。
圖3 SGFM基摩擦電壓力傳感織物壓力傳感性能
為驗證該研究的實際應用價值，開發(fā)了基于SGFM壓力傳感織物的智能監(jiān)測系統(tǒng)，并將其應用于保加利亞深蹲訓練的康復監(jiān)測。這種訓練對前交叉韌帶（ACL）術(shù)后患者的功能恢復至關(guān)重要。該系統(tǒng)采用模塊化設計，集成了脈搏監(jiān)測模塊、股四頭肌收縮監(jiān)測模塊和足底壓力監(jiān)測模塊。其中，脈搏監(jiān)測模塊位于手腕部位，可實時檢測脈搏率，確保訓練強度安全；股四頭肌收縮監(jiān)測模塊置于大腿部位，用于捕捉深蹲運動頻率；足底壓力監(jiān)測模塊基于集成9個SGFM摩擦電壓力傳感織物的鞋墊，通過分析足底壓力分布，實時反饋訓練姿勢，輔助姿勢矯正。這3個模塊能夠同時檢測生理信號和訓練姿勢，為訓練監(jiān)測和姿勢糾正提供有價值的信息。借助機器學習算法，該系統(tǒng)對常見錯誤的檢測和識別準確率可達100%，顯著提升了康復訓練的效率和安全性。
圖4 SGFM基摩擦電壓力傳感織物用于康復訓練監(jiān)測
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https://doi.org/10.1007/s42765-025-00531-y
《可穿戴傳感器技術(shù)及市場-2025版》
《印刷和柔性傳感器技術(shù)及市場-2024版》
