安徽农业&岭南师范学院卢莹等·ACS Sens.·水凝胶·离子触觉传感·霍夫迈斯特效应·模量可编程·运动监测
霍夫迈斯特效应调控的水凝胶离子触觉传感器用于双模式运动监测为应对可穿戴运动/健康监测中“微弱生理信号—高载荷肢体运动”跨尺度压力输入难以被同一器件兼顾的核心挑战，安徽农业大学Ying Lu团队提出一种由霍夫迈斯特效应调控模量可编程的PVA–HEDP导电水凝胶离子触觉传感器（PHHIS）思路，通过离子特异性水化作用在不改变材料化学组成的前提下实现水凝胶力学模量的大范围、可切换调控，从而构建互补的软/硬双工作模式。具体而言，研究团队采用一锅法制备PVA–HEDP水凝胶并通过冻融结晶增强物理交联稳定性，随后分别引入弱水化I⁻与强水化SO₄²⁻等离子溶液浸泡调控氢键网络与含水结构，得到适用于不同压力区间的软模与硬模介电层；同时，器件电极端构建分级微金字塔阵列，实现随压力递增的“顺序接触”以扩大有效接触面积并抑制高压饱和，利用水凝胶–电极界面双电层（EDL）电容的显著面电容效应放大压力响应信号（ΔC/C₀）。在性能上，软模在0–50 kPa内实现超高灵敏度238.4 kPa⁻¹，适于脉搏、发声/喉部振动等微弱信号采集；硬模在0–800 kPa内保持稳定线性响应（灵敏度1.5 kPa⁻¹），适于肢体弯曲、足底冲击等高压动作监测。在应用层面，作者对8类人体信号进行实时采集，并结合特征提取与LDA、HCA以及基于ResNet-18的一维人工神经网络（ANN）实现100%分类准确率，展示了“材料模量编程—界面离子触觉换能—智能识别”一体化方案在多部位、多场景运动监测中的可扩展潜力。相关论文以“Hofmeister Hydrogel Iontronic Sensor for Dual-Mode Motion Monitoring”为题，发表在ACS Sensors上。技术路线图（部分）如下：研究动机：柔性可穿戴电子正快速走向生命体征监测、康复辅助与人机交互等应用，但实际人体信号的压力幅值跨度巨大——从亚kPa级的脉搏/声带振动到百kPa乃至更高的肢体运动与足底冲击。单一压力传感器若仅追求高灵敏度，往往会在高压区出现饱和或线性失真；若扩展量程，又容易牺牲低压分辨与信噪比。前人工作瓶颈：传统压阻/电容/压电/摩擦电等机制常呈现固定的结构—性能耦合关系，难以针对不同身体部位与使用场景进行“按需适配”；同时，很多离子触觉器件的凝胶介电层具有固定机械模量，使得器件的可变形性与界面接触演化受限，进一步加剧了灵敏度—量程权衡与信号稳定性问题。本工作的解决方案：本研究以霍夫迈斯特效应为抓手，通过离子特异性水化强弱对水凝胶氢键网络与含水结构的重构作用，实现PVA–HEDP导电水凝胶模量的可编程调控，从而在同一器件平台上构建软/硬双模式以覆盖低压高灵敏与高压宽量程两类需求；并叠加分级微金字塔电极阵列，使压力加载过程中接触面积按阶段增长，兼顾低压增益与高压线性。引出关键问题：如何在不引入复杂化学改性与结构重构的前提下，实现水凝胶介电层的宽范围、可切换力学调控，并与离子触觉界面换能机制协同，以获得跨尺度压力感知与高鲁棒性信号识别？图1 中文图注：用于运动监测的霍夫迈斯特效应调控PAV-HEDP水凝胶离子触觉传感器（PHHIS）。（A）PHHIS结构：压力作用下水凝胶变形改变界面双电层（EDL）电容，产生信号（ΔC/C₀）。（B）模量调控：强水化离子（如SO₄²⁻）通过盐析形成“硬模式”凝胶；弱水化离子（如I⁻）通过盐溶形成“软模式”网络。（C）运动监测：电容信号由人工神经网络（ANN）进行分类；软模式捕捉微弱活动（脉搏、声音），硬模式识别高压运动（肢体弯曲与足步冲击）。图2 中文图注：PHHIS的工作机理与电学性能。（A）PHHIS工作原理及等效电路示意图。（B）电容响应随外加压力变化曲线，灵敏度为98.2 kPa⁻¹。（C）在75 Pa压力下的快速响应与恢复行为。（D）不同压力（100 Pa-50 kPa）下的阶梯响应，插图为100 Pa信号放大图。（E）微压条件（0-300 Pa）下的分级加载响应。（F）在5 kPa压力下连续500次循环的稳定性测试。图3 中文图注：霍夫迈斯特效应对PHH力学性质与电导率的调控。（A）不同离子处理PHH的压缩应力-应变曲线。（B）不同阴离子处理条件下PHH的杨氏模量对比。（C）不同离子处理条件下PHH的电导率对比。（D）FT-IR光谱揭示不同离子对PHH内部氢键（O-H）结构的影响。图4 中文图注：PHHIS在软/硬模式下的力学与电学性能对比。（A）I⁻（软模式）、空白以及SO₄²⁻（硬模式）处理水凝胶的压缩应力-应变曲线。（B）三种PHH的杨氏模量对比。（C）三种模式下传感器的电容-压力响应曲线（对应软模式、空白与硬模式）。（D）硬模式与（E）软模式在75 Pa压力下的响应/恢复时间曲线。（F、G）分别在20 kPa（硬模式）与5 kPa（软模式）条件下的循环稳定性测试，并给出选定区域的放大图。图5 中文图注：基于软/硬模式PHHIS的高性能运动监测。（A）软模式采集的代表性人体信号，包括脉搏、声音、手指与手腕运动。（B）硬模式采集的代表性动作信号，包括足部、膝部、颈部与肘部运动。（C）八类人体运动信号的层次聚类分析（HCA）树状图。（D）基于ANN模型对八类人体运动信号识别的训练集混淆矩阵。提出“霍夫迈斯特效应调控模量可编程水凝胶离子触觉传感”新范式：仅通过更换浸泡离子种类（如I⁻与SO₄²⁻），在不改变PVA–HEDP化学组成的条件下实现模量从约50 kPa到约1170 kPa的宽范围调节，并据此构建可切换的软/硬双工作模式。构建分级微金字塔电极阵列实现顺序接触换能：通过不同高度微金字塔在压力增加时逐级参与接触，获得连续扩大的有效界面接触面积，提升低压区灵敏度并抑制高压区饱和，从而实现宽线性响应窗口。引入多算法融合的动作识别框架：基于ΔC/C₀时间序列信号进行特征提取与降维聚类（LDA、HCA），并进一步采用一维ResNet-18架构的ANN进行监督学习，实现8类人体动作/生理信号100%识别准确率，展示了材料—器件—算法的闭环协同。材料原料：聚乙烯醇（PVA）、羟基乙烷二膦酸（HEDP）、去离子水，以及用于模量调控的不同阴离子盐溶液（如I⁻、SO₄²⁻、柠檬酸根等）、PDMS与金（Au）薄层、PET/ITO电极基底、聚酰亚胺（PI）胶带等。合成策略：采用一锅法在105 ℃反应获得PVA–HEDP溶胶并注入模具成型，随后进行冻融过程（−18 ℃冷冻24 h并解冻）以引入结晶增强的物理交联；成型水凝胶再浸泡于不同离子溶液中以实现模量编程，切割为介电层并与微结构电极组装成夹心式离子触觉传感器，最后用PI胶带封装。合成机理关键词：多重氢键网络（PVA–HEDP协同氢键）、冻融结晶增强物理交联、霍夫迈斯特离子特异性水化、盐析（salting-out）/盐溶（salting-in）诱导网络致密化或松弛、离子电导调控、双电层（EDL）界面电容换能、分级微结构顺序接触放大。材料性能优势：软模实现0–50 kPa内238.4 kPa⁻¹的超高灵敏度与毫秒级响应/恢复（约8/12 ms），适于微弱生理信号；硬模实现0–800 kPa宽线性响应（1.5 kPa⁻¹）并具备良好耐压与循环稳定性；器件检测限可低于100 Pa，并在温湿度波动下保持较小基线漂移。应用领域简写：柔性电子（FE）·可穿戴健康监测（WHM）·人机交互（HCI）·智能信号识别（AI）。主要性能表现：通过软/硬双模式协同，PHHIS在低压区获得高灵敏与高分辨，在高压区获得宽量程与良好线性，实现对从脉搏/发声到肢体弯曲/足底冲击的跨尺度压力信号覆盖。性能支撑机制：离子触觉机制依赖水凝胶–电极界面形成的双电层电容。压力加载使界面接触面积与双电层结构发生重构，从而产生显著的电容变化（ΔC/C₀），该机制在低频/静态压力下具有低噪声优势。结构/原料设计赋能：分级微金字塔阵列通过“顺序接触”实现接触面积随压力阶段性增长，既提升低压区增益，又避免高压区早期饱和；同时，霍夫迈斯特离子通过调控水化壳层与氢键强度改变网络致密度——软模（I⁻）更易形变，放大界面电容变化以提升灵敏度；硬模（SO₄²⁻）网络更致密，限制形变并维持高压区线性与耐压。次要性能表现：器件表现出快速响应—恢复对称性、长循环稳定性以及对温度（约5–45 ℃）与湿度（约30–80% RH）波动的良好适应性，并在封装条件下具备短期到中期的基线稳定。机理支撑：PVA–HEDP多重氢键与冻融结晶共同提供可回复的物理交联骨架，保证反复加载下的弹性恢复；离子水化强度差异同时影响离子迁移率与电导，进一步调节界面换能效率与信号幅值。结构/原料归因：HEDP引入的–P=O/–OH等基团增强与PVA链段的氢键协同，形成稳定多尺度网络；PI封装降低环境水分扰动；离子浸泡实现“成分不变、模量可编程”的结构调控窗口。材料综合特性汇总：模量可编程导电水凝胶介电层 + 分级微结构电极 + EDL离子触觉换能，使器件具备低压高灵敏与高压宽量程的双模互补能力，并可输出高信噪比的时间序列信号以支撑智能识别。典型应用方向：贴附于不同人体部位进行多场景运动监测与生理信号采集，例如腕部脉搏、喉部发声振动、手指触碰与手腕动作，以及足底冲击与颈/肘/膝关节弯曲等。具体表现指标：软模可清晰采集脉搏、声音（喉部振动）、手指触碰与手腕运动信号；硬模可稳定采集足底冲击、颈部弯曲、膝部弯曲与肘部弯曲信号。基于上述8类信号的ΔC/C₀特征，LDA与HCA可形成良好分簇，进一步采用ANN对时间序列进行端到端学习后获得100%识别准确率，验证了器件在动作分类与状态识别中的可用性。研究成果的核心贡献：本工作将霍夫迈斯特效应引入离子触觉传感器的材料设计，通过离子水化调控实现水凝胶介电层的可编程模量窗口，打破单一模量凝胶对多场景传感性能的限制，并以软/硬双模式实现跨尺度压力感知。科学或工程意义：该策略提供了一条“无需复杂化学改性即可实现力学—电学耦合可调”的工程化路径，有助于构建可在不同人体部位快速适配的柔性传感器平台，并为离子触觉器件在低频稳定响应、低检测限与宽量程线性之间的协同优化提供了可推广的方法论。潜在拓展应用领域：面向个体化健康评估与连续监测、康复训练与姿态纠正、智能假肢与软体机器人触觉反馈、以及面向人机交互的多模态输入终端等场景，可进一步与可穿戴系统集成并拓展到更复杂的信号融合与交互任务。2.机理：霍夫迈斯特效应·离子水化·盐析（salting-out）·盐溶（salting-in）·氢键网络·冻融结晶·双电层（EDL）电容·分级顺序接触3.性能：模量可编程·超高灵敏度·宽线性响应范围·快速响应/恢复·低检测限·循环稳定性·环境稳定性·信号识别准确率4.应用：可穿戴压力传感器·运动监测·脉搏/发声信号采集·智能健康监测·人机交互·动作识别研究单位（中文）：安徽农业大学应用化学系；岭南师范学院体育学院；暨南大学体育学院DOI：10.1021/acssensors.5c03822本公众号发布的内容（包括但不限于文字、图片、视频、音频及设计素材等），如有侵权，请联系删除。我们始终尊重知识产权，严格遵守《中华人民共和国著作权法》等相关法律法规，致力于维护健康的内容创作环境。欢迎大家投稿，联系邮箱：Gel_hub@163.com
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