机械-生物电双模态皮肤传感器，有望实现传感和电刺激等多功能
2025-07-13 09:06:40 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
该仿生皮肤传感器可以贴附在皮肤上或植入体内，测量物理运动和电信号。它由柔软、可拉伸的材料制成，模拟人类皮肤，设计用于长时间工作而不损失性能。
据麦姆斯咨询报道，美国宾夕法尼亚州立大学研究人员领衔的一支国际研究团队开发了一种新型仿生皮肤传感器，可以帮助医生更准确地监测生命体征，追踪术后愈合情况，甚至帮助尿失禁患者。
该仿生皮肤传感器可以贴附在皮肤上或植入体内，测量物理运动和电信号。它由柔软、可拉伸的材料制成，模拟人类皮肤，设计用于长时间工作而不损失性能。
“将两种不同材料结合以获得两者的最佳特性时，通常必须做出权衡和取舍。”宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系的Huanyu Cheng教授说，“通过我们的设计能够避免这种情况。我们在一个器件中实现了低接触电阻、高灵敏度、可拉伸性以及长期稳定性。”
大多数传感器仅依赖电导，即通过金属或碳材料传输电子。而这种双模态皮肤传感器结合了两种不同类型的电导特性：电导和离子传导，后者通过液体移动带电原子。这种混合物有助于它更自然地与人体建立接口，特别是对于体内应用，体内环境潮湿且富含离子。
“离子传导与身体更兼容。”Cheng教授说，“它允许传感器更好地粘附，特别是在体内，并为我们提供更高质量的信号。”
该团队采用花形金属有机框架、碳纳米管和填充离子液体的软橡胶状材料组合构建了该传感器。这种组合使传感器具有高性能和柔性，同时有助于减少随时间的内部磨损。
该设计的一个主要优势在于它既能检测大幅度的运动（例如弯曲手腕），也能检测非常微小的运动（例如细微的肌肉振动）。它还可以记录心脏信号或脑电波等电活动。这使其具有广泛的医疗和健康应用潜力，其中，特别值得关注的应用是膀胱功能监测。该团队在啮齿动物模型上测试了该传感器，测量了膀胱的拉伸以及周围肌肉的电活动。
“凭借该皮肤接口，我们可以从膀胱表面获取信息，并有潜力提供电刺激。”Cheng教授说，“这意味着我们可以一边监测问题，一边进行治疗，有望帮助患有尿失禁的患者。”
由于该传感器可在干、湿环境中工作，因此可以直接用于皮肤或植入体内，无需使用不同的材料或设计。
“因此，我们不需要为体外和体内应用选择不同的材料。”济南大学材料科学与工程学院教授、该研究合著者Songfang Zhao表示，“该传感器在这两种条件下都能表现良好。”
测试表明，该传感器能够承受数千次拉伸而不损失性能。它还能准确捕捉常见的动作，如手腕弯曲、膝盖弯曲，甚至说话或吞咽时的喉咙运动。与商用传感器相比，它在测量心脏、肌肉和眼动活动方面表现同样出色或更好。
展望未来，研究人员计划将传感器的功能扩展到监测之外，他们希望创建一个不仅能感知问题，还能主动进行治疗的系统。
“如果我们能增加传递电刺激的能力，就能形成监测加治疗的闭环。”针对未来的研究将如何实现更广泛的应用，Cheng教授解释说，“通过传感器检测信号，决定采取何种行动，并触发神经刺激或心脏起搏等反应。凭借该传感器，我们就能从单纯收集健康数据，转向真正帮助身体自我修复。”
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202501122
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