光固化3D打印不同结构的GFSP水凝胶。兰州化物所供图

■本报记者 叶满山

在人工智能浪潮之下，传统触屏、语音、视觉交互方式的短板日益凸显。柔性穿戴传感技术作为下一代人机交互的核心载体，凭借贴合人体、感知灵敏的优势备受关注，而水凝胶因类皮肤特性、优异生物相容性，成为柔性压阻传感器的理想材料。

近日，中国科学院兰州化学物理研究所（以下简称兰州化物所）润滑材料全国重点实验室功能润滑材料课题组联合多家单位开展跨领域协同攻关，创新融合类芬顿反应与光固化3D打印技术，研制出高性能石墨烯-铁离子动态配位海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶材料，并基于蜘蛛捕猎仿生原理设计十字形传感贴片，打造出低约束、高精度的新型具身人机交互系统。相关论文发表于《先进功能材料》。

解开行业多年死结

长期以来，高性能双交联水凝胶光固化3D打印制造存在诸多技术壁垒，一方面传统制备工艺导致材料机械柔顺性与传感性能无法同步提升，另一方面高密度传感阵列带来穿戴束缚、舒适度下降等问题，两大难题严重制约着柔性穿戴传感领域的产业化进程。

“目前主流的高性能双交联水凝胶普遍采用‘一釜两步’制备工艺，这套流程应用到光固化3D打印时会暴露出明显缺陷。”兰州化物所研究员王金清向《中国科学报》细数了当下行业面临的两大核心技术难题。

据了解，为保障打印结构完整，工艺会被迫提高初始共价交联密度，让水凝胶变硬，失去类皮肤的柔软特质。同时，石墨烯等主流导电填料具备吸光特性，会抑制光聚合反应。这就导致研发时要么舍弃导电填料牺牲传感性能，要么放弃打印精度，机械柔顺性和传感性能始终处于对立状态。

除了材料本身的矛盾，传统传感阵列的布设模式也让穿戴体验陷入僵局。王金清表示，人体关节运动复杂多变，需要多维度信号采集，行业内普遍采用高密度传感阵列来补足感知维度。

研究发现，大量传感单元与线路叠加在穿戴设备上，不仅会增加机械约束和穿戴负荷，限制人体正常生理活动，密集布线还容易引发信号串扰，增加硬件成本与数据分析难度，舒适性、实用性与信号稳定性难以兼顾。

两大痛点叠加，让优质柔性水凝胶传感器迟迟无法走出实验室。

面对行业共性难题，团队没有沿用传统改良配方、优化设备的常规思路，而是从化学反应机理入手，以异丙苯基二茂铁六氟锑酸盐作为光引发剂，将类芬顿反应与光固化3D打印技术深度结合，构建起同步触发自由基与阳离子双重光聚合反应的全新机制。

依托该技术，团队成功制备出GFSP系列水凝胶材料。在动态响应性能上，材料响应时间仅14.22毫秒，恢复时间为21.56毫秒，毫秒级的反应速度可实现人机交互实时联动。

“我们终于实现了水凝胶可打印性、机械柔顺性与传感功能性三者的协同优化，从材料根源上解开了行业多年的死结。”王金清说道。

设计灵感来自蜘蛛捕猎

解决材料难题后，团队将目光投向传感器结构设计，力求摆脱高密度阵列的束缚，在轻量化、低约束的前提下保证信号采集的完整性。

自然界的生物特征往往是科技创新的灵感来源。这项研究的仿生设计灵感便源自蜘蛛依靠蛛网远程感知猎物振动的生存机制。

“蜘蛛依靠蛛网传递振动信号，即便猎物距离较远，也能精准判断位置与状态。人体皮肤和人体筋膜、肌腱同样具备力学传递能力，关节运动产生的形变可以传递到手臂、手背等非关节区域。”王金清解释道，基于这一思路，团队提出低约束穿戴式仿生传感策略，摒弃将传感器密集贴附在关节处的传统方案，转而设计可布置在平坦皮肤区域的感知单元，利用人体自身组织传递力学信号。

经过多轮仿真模拟与实物测试，团队最终选定十字形结构打造LCWHSP（低约束可穿戴水凝胶传感贴片）。十字形是多维力传感器领域的经典构型，四个传感臂可分别响应不同方向的应变信号，团队将这一结构移植到柔性水凝胶体系中，赋予单片传感器单点多维感知能力。

相较于传统高密度传感阵列，十字形仿生结构的优势十分突出。王金清介绍，以手势感知为例，单点多维感知模式让传感器数量减少80%以上，繁琐的布线、多通道信号采集模块也随之精简，从物理层面消除了穿戴笨重、线路缠绕的问题。

同时，贴片不再贴合关节折痕处，肢体活动时不会发生摩擦、拉扯与受到限制，搭配全柔性材料与厚度仅0.02毫米的超薄柔性基底、电极，实现了真正的 “无感佩戴”。此外，该贴片结构简单，用户可自行粘贴、反复使用，大幅降低使用门槛与应用成本，兼顾了实用性与经济性。

依托GFSP水凝胶材料与十字形仿生贴片，团队进一步整合信号采集软硬件、深度学习智能分析模型以及多场景应用模块，搭建起一套完整的具身人机交互系统。经过大量样本测试，该系统对静态手势、动态连续手势的识别准确率达到98.6%。

在实际演示中，使用者仅凭简单手势，就能流畅操控虚拟游戏界面中的角色躲避障碍、发出指令，也可远程操控智能机械臂完成抓取、抬升、旋转等精细化作业。交互过程实时、稳定、精准。

除此之外，凭借捕捉关节微摩擦、微弱振动的能力，这款传感器还衍生出多元应用潜力，例如，可在骨关节炎早期筛查、术后康复监测、运动损伤预警等医疗健康领域发挥重要作用，为居家健康监测、个性化康复训练提供全新技术方案。

从实验室向产业化过渡

从化学反应机理创新到仿生结构设计，再到整套交互系统搭建，该项目历经近四年持续攻关，基于材料化学、力学、电子工程、生物医学工程、软件工程等多学科深度交叉融合取得了成果。

王金清坦言，研发之路充满挑战。初期团队尝试传统两步法工艺时，频繁出现打印结构残留、材料硬化、导电填料导致固化失败等问题，数十种配方、工艺参数反复调试都收效甚微。

“当我们第一次利用新体系成功打印出完整的石墨烯复合水凝胶时，所有人都备受鼓舞。那一刻我们知道，方向走对了。”王金清说，而当十字形贴片顺利采集到手势信号、精准控制外部设备时，大家真切感受到，实验室里的化学反应真正落地为改变交互方式的实用技术。

当前，该技术已完成核心原理验证、样机测试，并申报多项发明专利与软件著作权，构建起初步的知识产权体系，整体处于从实验室研发向产业化过渡的关键阶段。

谈及后续规划，王金清介绍，团队计划优先推动技术在三大领域落地示范：一是工业领域，应用于无人机、工业机器人远程操控，赋能高危作业场景；二是医疗健康领域，落地运动监测、关节康复、心血管健康监测等民生场景；三是消费电子领域，结合虚拟现实/增强现实设备完成沉浸式交互体验。

王金清认为，柔性皮肤式电子、多模态隐式交互、具身智能闭环系统，将成为未来人机交互的核心发展方向。持续探索新型仿生低约束传感结构，将进一步减轻穿戴生理负担，搭建大规模多模态数据库与自适应算法，打造适配全场景的具身交互引擎。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1002/adfm.76031