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关于离子聚合物金属复合材料（IPMC）传感器用于人体运动监测的研究报告
近期，一项关于离子聚合物金属复合材料（Ionic Polymer-Metal Composite, IPMC）传感器用于人体运动监测与交互的研究成果在学术期刊 Sensors 2026年第26卷第394期上发表。该研究由南京航空航天大学机电工程学院、江苏省仿生材料与装备重点实验室及航空航天结构力学及控制全国重点实验室的研究团队完成。主要作者包括殷国晓、田程博、蒋清华、王耿莹、邵乐棋、李青林、李杨和于敏，其中殷国晓、田程博为共同第一作者，于敏为通讯作者。
一、 研究背景与目标
离子聚合物金属复合材料（IPMC）是一种典型的电活性聚合物，具有柔性、轻质、结构简单、无噪声和生物相容性好等关键特性。过去的研究主要集中于其驱动性能，在仿生鱼、柔性夹爪、医疗导管等领域有广泛应用。近年来，IPMC作为传感器的潜力日益受到关注，被用于测量位移、速度和压力，尤其是在液体或潮湿环境下的适应性使其应用前景广阔。然而，现有研究多聚焦于灵敏度指标，而对于响应时间、长期稳定性等实际应用至关重要的参数缺乏系统性评估。
因此，为了推动IPMC在人体运动监测等动态场景中的应用，本研究旨在系统性地评估所制备的IPMC压力传感器的灵敏度、响应时间和稳定性，并验证其在模式识别和人体生理运动监测中的应用潜力，为可穿戴健康监测和柔性人机交互系统提供一种新型传感解决方案。
二、 详细研究流程
本研究工作流程清晰，主要分为材料制备与表征、基础传感性能系统评估、以及应用潜力验证三大阶段。
第一阶段：IPMC传感器的制备与材料表征 1. 样品制备：研究采用溶液浇筑和化学镀工艺制备IPMC。首先，将Nafion溶液与二甲基甲酰胺（DMF）混合，浇筑入硅胶模具，经过搅拌、超声脱泡和真空干燥后固化成膜。随后对膜进行表面打磨、清洗和酸煮预处理以增加粗糙度并去除杂质。核心的化学镀过程包括四个步骤：（1）离子吸附：将膜浸入铂-氨络合物溶液，使Pt(NH₃)₄²⁺离子扩散进入膜内；（2）初次化学镀：在恒温搅拌下，分次加入硼氢化钠还原剂，将膜内的铂离子还原为金属铂颗粒；（3）二次化学镀：使用羟胺和肼作为还原剂进行二次镀覆，以形成更致密均匀的铂电极；（4）离子交换：将制备好的IPMC浸入锂盐溶液中，将内部的阳离子置换为Li⁺，以提升其传感性能。最终，将片状IPMC切割成尺寸统一（7.0 mm × 7.0 mm × 0.45 mm）的矩形条用于测试。 2. 材料表征：使用扫描电子显微镜（SEM）观察IPMC的表面和截面形貌。截面样品通过液氮脆断法制备。SEM图像显示，IPMC表面存在明显的打磨痕迹和微裂纹，这种粗糙形貌有助于增加电极与基底膜的接触面积和结合强度。截面图清晰地展示了典型的“三明治”结构：上下两层为厚度约12.3 μm的铂金属电极，中间为致密的Nafion膜，电极与聚合物电解质结合紧密，界面清晰，无明显分层或缺陷。这种致密均匀的电极/电解质界面层对于提升IPMC的整体传感性能至关重要。 3. 吸水率测试：鉴于IPMC的吸水率变化会影响其传感电压，研究测试了不同厚度IPMC样品在空气中的吸水率随时间的变化。结果发现，在环境条件下，IPMC的吸水率随时间呈指数衰减趋势，初期快速下降后逐渐趋于稳定。较厚的样品具有更高的初始吸水率和更长的稳定时间，表明其更好的保水能力。为确保后续传感性能测试在稳定的含水状态下进行，所有IPMC样品在测试前均在实验室环境（~25°C, 40–60% RH）中平衡至少1小时（60分钟）。
第二阶段：基础传感性能的系统评估 研究团队搭建了自定义实验平台，使用万能拉伸试验机施加载荷，并用电化学工作站测量IPMC的开路电压作为传感电压信号。 1. 灵敏度测试：灵敏度（K）定义为传感电压变化（ΔV）与施加力变化（ΔF）之比。测试结果显示，IPMC传感器的传感性能曲线可分为三个区域：S1（0~1.08 N）、S2（1.08~4.46 N）和S3（4.46~8.97 N），对应的灵敏度分别为K₁ = 1.059 mV/N, K₂ = 0.159 mV/N, K₃ = 0.005 mV/N。这表明IPMC传感器在低压区（S1）具有显著更高的灵敏度，特别适合微力测量。 2. 响应时间测试：通过分析传感器对阶跃力输入的电压响应曲线，测得IPMC传感器的响应时间约为50毫秒。这表明传感器能快速响应动态力变化，具备实时跟踪能力。 3. 加载力与加载速度的影响：研究了在不同加载力（0.2 N 至 8.0 N）和不同加载速度（2, 5, 10, 20, 30 mm/min）下IPMC的传感电压响应。结果表明，传感电压峰值随加载力的增大而显著增加（从0.2 N时的约0.32 mV增至8.0 N时的约2.24 mV）。而加载速度主要影响电压信号的波形：速度越快，电压信号上升越陡峭，峰值更窄；速度越慢，信号则更宽更平缓。加载速度对电压峰值大小影响不大。四次重复测试的电压曲线表现出良好的一致性，初步证明了传感器在给定条件下的响应一致性和测试可重复性。这些结果共同表明，所制备的IPMC传感器不仅能感知“力的大小”，还能区分“力的变化速率”，展现了动态多参数压力感测能力。 4. 长期循环稳定性（重复性）测试：为了验证IPMC传感材料的长期可靠性，研究进行了长达8000秒（约2200次循环）的加载-卸载循环测试。结果表明，在整个长时间循环测试中，IPMC传感器产生了连续且可重复的电压信号。虽然在稳定的实验室环境条件下，信号振幅从1000秒时的约1.23 mV逐渐衰减到4000秒时的1.15 mV和7000秒时的1.09 mV，总衰减率为11.3%，但信号波形本身保持良好，没有明显的失真或失效。这证明传感器在延长的循环操作中保持了良好的信号稳定性和可重复性。
第三阶段：应用潜力验证 基于IPMC良好的传感性能，研究进一步通过输入模式识别测试和人体运动监测测试来验证其应用潜力。所有测试信号采样率设置为100 Hz。 1. 输入模式识别测试： * 鼠标点击模式识别：将IPMC传感器附着在测试者右手食指上。测试者执行连续的单次和双击动作。结果显示，单次点击产生一个电压峰值，而双击产生两个明显的峰值，可以清晰区分基本点击模式。 * 英文字母识别：将IPMC材料作为手写板，用笔连续书写字母“A”、“B”、“C”。三个字母对应的传感电压在峰值、方向和波形上存在显著差异，基于这些差异可以识别对应的字母。 * 二进制信息传输：采用二进制编码方案，短暂按压代表“0”，持续按压代表“1”。传感器能即时响应并产生稳定信号，清晰区分“0”和“1”状态，证实了其以编码形式传输信息的能力。 2. 人体运动监测：将IPMC传感器用医用胶带固定在人体不同部位，测试其在不同生理和行为活动下的信号响应。 * 面部微笑：传感器贴于脸颊，能一致性地捕捉到三次连续微笑动作产生的传感电压。 * 咽喉吞咽与胸部深呼吸：传感器能检测到与吞咽和深呼吸相对应的清晰信号。吞咽信号表现为尖锐的电压脉冲，而呼吸信号则更平缓，两者在峰值电压和波形特征上差异明显，可有效区分。 * 关节弯曲：测试了手指关节、肘关节和膝关节的弯曲。传感电压随着关节弯曲角度的增大而增加，这是因为更大的角度导致IPMC传感器产生更显著的机械变形。从小的指关节到大的膝关节，传感器均表现出一致的响应模式，显示其对不同尺度机械刺激的良好适应性。
三、 主要研究结果
本研究通过系统性的实验，获得了以下关键结果： 1. 材料结构成功制备：SEM证实成功制备出具有均匀“三明治”结构、致密电极层和良好电极-基底结合力的IPMC，为稳定传感性能奠定了结构基础。 2. 优异的低压高灵敏度：在低于1.08 N的低压区域，传感器表现出高达1.059 mV/N的灵敏度，使其在微力检测领域具有独特优势。 3. 快速的动态响应：约50毫秒的响应时间确保了传感器能够实时跟踪快速变化的力信号。 4. 多参数感知能力：传感器输出同时响应压力的大小和变化速率，实现了动态多参数感测。 5. 良好的长期稳定性：超过2000次循环测试表明，传感器信号一致且稳定，衰减可控，证明了其长期工作的可靠性。 6. 广泛的应用验证：在主动交互方面，传感器成功实现了对鼠标点击、手写字母和二进制信息的准确识别；在被动监测方面，有效捕获了面部微笑、吞咽、呼吸以及指、肘、膝等关节弯曲等多种人体生理和运动信号，并能可靠区分这些不同的行为模式。
四、 研究结论与价值
本研究表明，所制备的IPMC传感器具有优异的性能。其高灵敏度、快响应、良好稳定性以及对多参数动态压力的感知能力，为其在实际应用中的多功能性提供了支持。通过在模式识别和人体运动监测方面的概念验证演示，研究证实了IPMC传感器在开发新型柔性人机交互界面以及用于个性化医疗康复和智能运动捕捉的可穿戴传感系统方面的巨大潜力。
科学价值：本研究填补了对IPMC压力传感器响应时间、长期稳定性等关键性能参数进行系统性评估的空白，为IPMC传感机理的深入理解和性能优化提供了详实的实验数据和支持。
应用价值：研究展示了IPMC传感器从简单的模式识别到复杂的人体生理信号监测的广泛应用场景，为下一代柔性电子、可穿戴健康监测设备和智能人机交互系统提供了一种有前景的新型传感解决方案。
五、 研究亮点
六、 其他有价值内容
研究在讨论部分也坦诚指出了当前工作的局限性及未来方向，包括长期信号漂移、剧烈运动时的运动伪影、个体生理差异导致的信号变化等挑战。未来工作将集中于开发更好的封装技术以提升在潮湿环境中的稳定性，以及集成机器学习算法进行实时、多通道信号模式识别。这为领域内的后续研究指明了有价值的探索路径。此外，作者声明在论文准备过程中使用了AI工具进行语言润色和示意图生成，并强调作者对内容负全部责任，这体现了对学术规范中AI使用声明的重视。