本研究由普渡大学（Purdue University）机械工程学院的 Tianhao Yu、圣母大学（University of Notre Dame）航空航天与机械工程系的 Axel González Cornejo、普渡大学生物医学工程学院的 Hyeonseo Joo 等研究人员共同完成。通讯作者为圣母大学的 Edgar Bolívar-Nieto 和普渡大学的 Chi Hwan Lee。该研究于2026年8月14日发表在 Science Advances 期刊上，论文标题为“Embroidered textile sensors for real-time multiaxial force mapping in prosthetics”。
全球有超过5000万人因创伤性伤害而经历肢体截肢，构成了重大的健康负担。下肢假肢接受腔（prosthetic socket）与残肢界面之间的力学环境极为复杂。在站立、行走和姿势转换等日常活动中，由于解剖结构不匹配、接受腔对线不良以及残肢体积波动等因素，界面会产生包括法向压力（normal pressure）和剪切力（shear force）在内的多方向力。过大的法向压力会导致组织破损和不适，而剪切力则会加剧皮肤刺激，尤其在骨性突起区域更容易诱发溃疡。因此，实时监测这些力对于优化假肢适配、提升舒适度和保护皮肤健康至关重要。
然而，现有的接受腔内传感系统主要基于应变片（strain gage）、压阻薄膜（piezoresistive film）或光学机制，大多局限于法向压力检测，且往往需要改造接受腔结构或使用刚性多层组件，难以与柔顺的残肢-接受腔界面实现无缝集成。针对这些局限，本研究旨在开发一种完全刺绣的多轴电容式传感系统，能够同时检测法向力和剪切力，并满足假肢集成所需的柔韧性、可洗涤性、多轴检测能力和无线系统兼容性等关键要求。
研究团队设计了一种刺绣多轴压力传感器，集成于假肢接受腔界面。系统由嵌入传感器阵列的纺织护套（textile sheath）、数据采集（DAQ）模块以及纺织电致发光（electroluminescent, EL）显示器组成。传感器采用多层电容结构：一个大的公共顶部电极和四个按象限排列的底部电极。其工作原理基于差分电容变化检测——在法向压缩（Fz）作用下，四个象限呈现相似的电容增加；而在法向力与剪切力共同作用下，不对称的电容变化揭示了剪切力的大小和方向。
传感元件通过机器刺绣制造，使用聚酯面线和镀银导电底线缝制到基底织物上。银镀导电线的拉伸测试显示其在约16%应变时可承受约7.5 N的最大载荷。刺绣质量受设计参数和机器设置影响，研究团队系统考察了针距（0.2至0.4 mm）和刺绣张力对图案密度、均匀性及电学一致性的影响，确定了最佳参数以保证导电图案的均匀性和黏附性。
离子凝胶介电层是传感性能的核心。前驱体配方包含丙烯酸苄酯（benzyl acrylate, BA）作为单体、聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）作为交联剂、TPO作为光引发剂，以及离子液体[EMIM][TFSI]和PEGMA。紫外照射下，光引发剂产生自由基引发聚合，形成离子液体域均匀分布的交联聚合物网络。该介电层作为双电层（electric double layer, EDL）电容器工作，移动离子在电极界面聚集，显著提高界面电容。
研究团队系统优化了凝胶组成和器件几何参数。将TFSI浓度从0提升至10 wt%时，灵敏度因离子迁移率和EDL形成增强而提升；10 wt% TFSI的传感器在500 kPa下实现了超过200%的相对电容变化（ΔC/C₀）。PEGDA交联剂含量从0.5增至4 wt%会略微降低灵敏度。1 mm厚的介电层在100 kPa内展现出超过800%的ΔC/C₀，为最优厚度。电极面积增大至2 cm×2 cm也产生了更大的电容变化。循环加载测试表明传感器检测范围可至500 kPa，具备低漂移和高重复性。传感器检测限约10 Pa（可分辨0.25 g纸张的施加），响应时间约300 ms，恢复时间约400 ms。在500 kPa下进行10000次循环加载/卸载的耐久性测试确认了其机械鲁棒性和电学稳定性，相对电容变化保持一致，耗散因子仅从约2适度增加至约4。
剪切测试中，传感器在x轴和y轴剪切载荷下，四个底部电极（C1至C4）之间产生差分电容变化，反映了顶部电极相对于象限底部电极的相对位移。研究团队采用分解方法解耦法向力和剪切力：法向压力分量通过四个象限电极的平均电容变化计算；剪切分量通过从各通道减去平均电容提取。重建误差在临床相关预载范围内约为7%。
值得关注的是，研究发现随着静态法向力从10 N增至20 N，剪切响应受到抑制。这归因于高法向载荷下界面摩擦约束增加、压缩介电层刚度增大以及黏弹性效应。这一发现揭示了法向力与剪切灵敏度之间的权衡关系。
系统采用28位四通道电容数字转换器（FDC2214）实现高分辨率电容检测，屏蔽布线用于抑制环境噪声。系统还集成了微控制器单元（MCU）处理电容信号并驱动纺织EL显示器。研究团队开发了定制的自动化绕线加热系统用于EL线的制备，通过步进电机驱动绕线器和串联加热腔实现溶剂均匀蒸发，确保EL颗粒在整条线上的均匀涂覆，制造速度约3 m/h。8×8纺织显示器展示了根据压力水平逐行点亮的能力，实现了直观的视觉反馈。
研究在一名胫骨截肢（transtibial amputation）受试者中进行了体内验证。传感阵列佩戴于假肢接受腔内部，在三个关键位置监测：远端前侧（distal anterior, DA）、近端前侧（proximal anterior, PA）和近端外侧（proximal lateral, PL）。测试包括坐-站转换循环和行走条件，同时利用力板（force plate）和运动捕捉系统进行步态分析。红外热成像确认测试后残肢温度升高保持在舒适范围内。
在坐-站转换过程中，三个传感器位置展现出不同的法向压力分布模式。DA部位所有四个象限压力均较高（>100 kPa），反映了残肢远端对接受腔底部帽的压缩承重特征。PA和PL部位观察到C3和C4象限压力较高，这种不对称性归因于残肢在接受腔内的侧向移动和解剖形状造成的不均匀接触。
行走过程中的动态数据显示了更丰富的力学信息。DA部位压力迹线呈现较高基线和步态周期内的振荡，而差分电容变化极小，表明该部位以法向压力为主，剪切位移有限。PA部位伴随大幅差分电容变化（约5 pF），与步态相位同步，反映了约47 kPa的垂直剪切压力。PL部位同样呈现步态同步模式，反映约35 kPa的水平内外侧剪切压力。这些结果揭示了残肢在不同解剖位置与接受腔壁之间复杂的力学交互作用。
步态分析数据显示了受试者的代偿策略。坐-站转换中，健侧峰值力约700 N，而假肢侧约400 N。静态站立时，健侧持续支撑约400 N，假肢侧约300 N，表明受试者倾向于卸载假肢侧。行走过程中，力板数据显示周期性峰值和顺序接触，残肢加速度呈现与步态同步的节律性振荡。研究团队谨慎指出，这些数据来自单名受试者，旨在展示可行性而非建立临床可推广的不对称性指标。
传感器的环境稳定性得到验证：归一化电容在20°C至40°C温度范围和高达90%相对湿度范围内保持恒定。经过30次机洗循环后，电容仅下降约7%，显示出良好的可洗涤性。
本研究成功开发了一种完全刺绣的多轴压力传感系统，解决了残肢-接受腔界面监测的关键挑战。该系统将离子凝胶基EDL电容器与机器刺绣电极集成，象限架构实现了法向压力和剪切力的同时测量。系统满足假肢集成的所有关键要求：柔韧性、可洗涤性、多轴检测和无线兼容性。传感器灵敏度和工作范围可通过调节介电层厚度和离子凝胶模量进行定制，适应不同用户和载荷条件。
体内试验证明了系统在实际使用条件下捕获特定部位法向力和剪切力分布的能力，揭示的模式与先前报道的步态不对称性一致。假肢侧在静态站立和步态中呈现较低的地面反作用力，反映用户的自然代偿策略。这些发现强调了实时监测系统在评估接受腔适配、指导干预以促进平衡步态力学和提升穿着舒适性方面的重要意义。
该研究的科学价值在于提出了一种将EDL电容机制与纺织刺绣制造相结合的创新传感方案，在柔性可穿戴传感器领域取得了显著进展。应用价值体现在为假肢用户提供了实用的连续生物力学监测工具，并展现了在康复机器人和人机界面领域的广泛潜力。
本研究的突出亮点包括：第一，创新性地采用机器刺绣技术制造多轴电容传感器，实现了与纺织品的天然集成，无需改造接受腔结构；第二，离子凝胶EDL电容器设计带来了超高灵敏度（检测限约10 Pa）和宽广检测范围（至500 kPa）；第三，象限电极架构与分解算法实现了法向力与剪切力的有效解耦；第四，全纺织系统集成了传感、无线数据传输和EL视觉显示，形成了闭环反馈；第五，通过实际截肢受试者的体内试验验证了系统的临床可行性，揭示了不同解剖位置的差异化力学加载模式。
研究团队在讨论中还指出了若干值得后续关注的方向：残余肢体体积波动和悬吊张力变化可能影响法向预载分布进而影响剪切灵敏度；更高密度阵列或多通道复杂加载条件下可能需要非线性补偿或机器学习方法以改进多维力重建；与生物力学模型集成可能实现局部组织应力的估计。在材料层面，离子凝胶在动态微气候条件下的长期稳定性以及溶剂滞留和离子迁移问题需要通过更高交联度的聚合物网络来改善。这些前瞻性讨论反映了研究团队对技术局限和未来发展路径的清晰认识。