本研究由清华大学化学系稀土先进材料工程研究中心的徐鑫、汪晓娅、崔祎泽、刘清达及王训等人完成，通讯作者为刘清达和王训。论文发表于 *Nature Communications*，文章编号为 https://doi.org/10.1038/s41467-026-78557-y，于2026年3月25日收到稿件，2026年9月30日被接收，目前以 article in press 形式在线发表。
压电效应（piezoelectric effect）是一种将机械能通过自发极化高效转化为电能的固有属性。凭借其高机电转换效率、快速响应时间和长期稳定性，压电材料被广泛应用于传感器、能量收集器、换能器及相关器件的制造中。与柔性聚合物材料相比，无机压电材料具有更高的压电系数和更强的机械强度，但其固有的脆性使其难以适应复杂曲面或弯曲折叠的应用场景。
亚纳米线（subnanowires, SNWs）的直径与线性聚合物和单链DNA相当，提供了一种区别于传统无机材料的柔性一维（1D）骨架。由于具有超高的表面原子比例和表面能，SNWs可以发生原子重排并扭曲成特定角度，即使在非手性环境中也能产生自发的结构对称性破缺。其本征的结构柔性、晶格畸变和显著的构象不对称性不依赖于特定化学组成，使SNWs成为柔性无机压电材料的理想候选者。
可穿戴生物电子器件（wearable bioelectronics, WBEs）集成了实时生物传感、微纳制造和无线通信技术。在各种传感模态中，压电电子皮肤（piezoelectric electronic skin, PE-skin）传感器将机械刺激转化为可量化的电信号，特别适合WBE的开发。然而，许多轻量级PE-skin仍缺乏稳健的实时无线数据传输能力。利用SNWs与聚合物之间的强兼容性，基于SNW的PE-skin有望同时实现结构柔性和高压电性能，从而推动全集成无线WBE系统的设计。
人机界面（human-machine interface, HMI）是一种先进交互技术，能够实现对人体多样生理和行为意图的准确解码。然而，许多HMI系统在多功能性、佩戴舒适性、长期稳定性和用户移动性之间仍面临权衡取舍。因此，开发基于SNW-PE-skin的无线、非侵入式、多模态WBE对于实现实时、准确和用户友好的HMI系统具有重要意义。
本研究的目标是：合成一种本征柔性且具有手性的无机压电多金属氧酸盐基亚纳米线ZnBiPMo₁₂，利用其压电响应构建PE-skin，进一步组装成无线可穿戴生物电子器件（1a）和面部计算机界面（1b），实现非侵入式多模态人体生理信号监测以及情绪和语音的准确识别。
研究团队通过水热反应合成了多金属氧酸盐基亚纳米线（POM SNWs）ZnBiPMo₁₂。具体方法是将H₃[PMo₁₂O₄₀]、Zn(NO₃)₂·6H₂O、Bi(NO₃)₃·5H₂O、油胺（oleylamine, OA）和乙醇胺在180 °C下反应8小时。作为对比，同时合成了不含Zn的BiPMo₁₂亚纳米线。透射电子显微镜（TEM）图像显示两种SNWs均具有高长径比，平均直径分别约为1.05 nm和1.06 nm，且均可在环己烷中良好分散。原子力显微镜（AFM）测得两者厚度均为1.48 nm（包含无机骨架和表面有机配体）。
高倍球差TEM图像显示ZnBiPMo₁₂和BiPMo₁₂呈现一维“-ABAB-”连接模式，由[PMo₁₂O₄₀]³⁻结构单元与金属-氧簇连接体交替连接。螺旋一维链的存在表明两种SNWs均具有手性一维结构和结构对称性破缺。能谱（EDX）元素分布证实Zn、Bi、P、Mo、N、O的均匀分布，Mo:Bi:Zn摩尔比为7.0:2.9:4.1。X射线光电子能谱（XPS）证实了ZnO片段的存在，红外光谱（IR）确认了[PMo₁₂O₄₀]³⁻结构单元的保留。热重分析（TG）显示ZnBiPMo₁₂在205 °C以下稳定。
圆二色（circular dichroism, CD）光谱显示两种SNWs在250–380 nm范围内均表现出正负宽CD带，证实了左旋（L）和右旋（R）手性SNWs的成功制备。ZnBiPMo₁₂(L)和ZnBiPMo₁₂®的不对称因子（g因子）分别为2.32×10⁻³和−3.07×10⁻³，且Zn掺杂增强了晶格畸变，导致ZnBiPMo₁₂的CD信号强于BiPMo₁₂。
将ZnBiPMo₁₂和BiPMo₁₂薄膜沉积在铁基底上，进行压电力显微镜（piezoelectric force microscopy, PFM）测量。垂直面外振幅图像在施加电场下显示出清晰的畴结构强度变化，ZnBiPMo₁₂和BiPMo₁₂的最大振幅分别为0.22 nm和0.089 nm。在2 V驱动幅度下，观察到典型的蝴蝶曲线和电滞回线，证明两种材料的铁电畴可电压切换且具有自发极化。室温极化-电压（P-V）电滞回线测得ZnBiPMo₁₂的剩余极化（Pr）为0.457 μC/cm²，饱和极化（Ps）为1.266 μC/cm²。ZnBiPMo₁₂的压电系数d₃₃测得为24.9 pC/N，显著高于BiPMo₁₂的16.5 pC/N，也超过了Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ SNWs（14.8 pC/N）以及许多柔性有机聚合物、有机晶体和无机材料。
密度泛函理论（DFT）计算进一步解释了结构极性来源。α-Keggin型[PMo₁₂O₄₀]³⁻、[BiO₅]、[ZnO₄]和OA配体的计算偶极矩分别为0.862、4.165、0.000和1.486 Debye。[BiO₅]和OA表现出较大的正负电荷分布差异，这种结构片段间的大电荷差异增强了材料的铁电性。铁电性的主要来源包括手性螺旋结构、Mo⁶⁺和Bi³⁺的离子位移，以及[BiO₅]片段的偶极矩和不同结构单元间电荷相互作用的协同效应。
将ZnBiPMo₁₂（16.7 wt%）掺杂到聚二甲基硅氧烷（PDMS）凝胶中，制备了直径为2.3 cm、厚度为2 mm的圆形ZnBiPMo₁₂@PDMS薄膜（记为1），作为PE-skin。拉伸-应变测试显示1的最大应变为74.98%（纯PDMS为20.67%），最大拉伸强度为16.35 MPa，表明ZnBiPMo₁₂的掺入显著增强了弹性。SEM和EDX元素分布证实了ZnBiPMo₁₂在膜中的均匀分散。
将1夹在两层锡箔电极之间，通过定制3D打印的压力传感支架施加0.045–0.397 N的系列小压力，评估其力传感性能。平均输出电压从0.045 N时的0.164 V增加到0.397 N时的0.9424 V，线性拟合方程为V = 2.12449P + 0.1039（R² = 0.989），电压灵敏度S = 0.221 V/N。电流输出从0.45218 nA增加到2.28356 nA，电流灵敏度为5.49 nA/N。电压传感的响应时间为0.042 s，恢复时间为0.080 s。在0.319 N压力下经过12413次循环按压后输出保持稳定。在水中浸泡12小时或−57.1 °C冷冻12小时后，电压响应仅分别下降6.5%和0.9%。
通过对比不同掺杂量（0 wt%、5.7 wt%、12.3 wt%、16.7 wt%）的薄膜，确认了ZnBiPMo₁₂是压电响应的主要来源，纯PDMS的小输出归因于挠曲电效应（flexoelectricity）。有限元模拟（finite element simulations, FES）表明，随着按压应变从0%增加到50%，膜内应力增加，上下表面电位差持续增大，证实1能有效将机械能转化为电能。
研究团队制作了一个无线微型集成电路系统，主电路板尺寸为3.5×1.7×0.7 cm³，集成了开关电路、线性降压电路、电荷泵双电源电路、电荷-电压转换电路、电压放大器、低通滤波器、方波转换电路和单片机最小系统。电荷-电压转换电路与1连接，信号放大1242倍，采样频率为0.6 ms/步。输出信号通过蓝牙传输至计算机，使用VOFA+软件实时显示。整个系统封装在光固化3D打印外壳中，形成1a。
1a被用于多模态人体运动监测。手指弯曲监测中，弯曲角度从30°增加到90°时，电压响应从0.325 V增加到0.651 V。肘部弯曲监测中每次弯曲产生最大正电压响应1.43 V。当1贴附于桡侧腕屈肌皮肤表面时，1a能清晰区分握拳（峰值0.082 V）和释放（峰值−0.096 V）的信号。贴附于太阳穴时，1a能有效监测眨眼：单次眨眼产生0.173 V正电压变化和0.089 V负电压变化；连续眨眼1至6次的持续时间分别为0.25、0.56、0.76、0.92、1.30和1.50 s。57次连续单次眨眼的监测显示闭眼和睁眼时间分别为0.0413 s和0.06 s。疲劳眨眼监测显示闭眼持续1.1–1.73 s，可用于评估疲劳水平。3个月后的监测测试表明1a仍能轻松监测眨眼。
呼吸监测方面，1a贴附于N95口罩时，12次吸气-呼气循环的电压峰值保持一致，每次循环约2.4 s。贴附于腹外斜肌、肋间外肌和膈肌时，均能监测到呼吸肌活动信号。
心率监测方面，贴附于胸部皮肤时，心跳电压波动约0.02 V，心率为64 bpm。贴附于脉搏点时，平均脉搏峰值幅度约−0.012 V，脉搏频率为74.3 bpm。贴附于颈动脉时，电压响应约0.251 V，心率为77.3 bpm。全天的连续监测（8:30至23:00）显示餐后1–2小时心率上升，随后稳定在65–80 bpm的正常范围内。
1b由五片基于1的压电薄膜（a–e，尺寸1×2×0.2 cm³）串联连接至无线微型静电计构成。五片薄膜分别贴附于右前额（a）、颧上肌（b）、口轮匝肌（c）、下颌肌（d）和喉部（e）。两个反向传播神经网络（backpropagation neural networks, BPNNs）——bpnn1和bpnn2——被构建用于情绪和语音识别。
对于情绪识别，使用1b记录了9种情绪表达（大笑、惊讶、害怕、担忧、紧张、焦虑、开怀大笑、恐惧、哭泣）的电压响应信号各两次，一组用于训练bpnn1，另一组用于测试。此外还记录了9种轻微情绪表达和9种其他面部表情作为干扰项用于训练。从27个电压信号中提取特征v1/v2（最大正/负电压峰值比）、p+（正峰数）和p−（负峰数）作为输入。bpnn1包含3个输入神经元、25个隐藏神经元和9个输出神经元。测试结果显示，9种情绪的识别准确率分别为100%、99.884%、100%、100%、100%、100%、99.9862%、100%和100%，干扰项的识别准确率接近0。
对于语音识别，记录了12个主要口头词识别目标（“乐观”“谦虚”“期待”“悲观”“喜欢”“骄傲”“愧疚”“自豪”“自信”“感激”“1, 2, 3”“a, b, c”）的电压信号，以及20种其他口头词作为干扰项。bpnn2包含3个输入神经元、24个隐藏神经元和12个输出神经元。测试结果显示12个词的识别准确率分别达到99.9995%、99.9951%、100%、99.5265%、100%、100%、100%、100%、99.9849%、100%、99.9995%和100%，20个干扰项的识别准确率均接近0，表明bpnn2对干扰具有极高的鲁棒性。
本研究的核心结果可归纳为四个层面。第一，在材料层面，成功合成了本征柔性的手性无机压电亚纳米线ZnBiPMo₁₂，其d₃₃达到24.9 pC/N，具有显著的铁电性。ZnO掺杂（P6₃mc空间群，沿[0 0 1]方向高压电性）是压电性能增强的关键因素，DFT计算确证了[BiO₅]片段和OA配体的大偶极矩和电荷分布差异是铁电性的重要来源。
第二，在器件层面，16.7 wt% ZnBiPMo₁₂@PDMS薄膜（1）表现出优异的弹性（最大应变74.98%）、压力灵敏度（0.221 V/N）和长期稳定性（12413次循环后输出稳定），能够精确感知0.045–0.397 N范围内的微弱触觉力。
第三，在系统集成层面，通过多级组装成功构建了无线可穿戴生物电子器件1a，实现了对手指/肘部弯曲、细微肌肉收缩、眨眼、呼吸（鼻腔及三种呼吸肌）、心跳、脉搏和颈动脉搏动的非侵入式多模态实时监测。尤其是全天心率监测（8:30–23:00）展示了1a在长期健康管理中的应用潜力。
第四，在人机交互层面，1b结合bpnn实现了对9种情绪表达和12个口头词的高精度识别，准确率接近或等于100%，且干扰项不会影响识别结果。拟合过程未出现过拟合。这一结果为行动障碍患者的辅助交流、情绪调节和医疗康复提供了技术先例。
本研究首次报道了一种本征柔性无机压电多金属氧酸盐基亚纳米线ZnBiPMo₁₂，其压电系数达24.9 pC/N，兼具手性和铁电性。基于该材料构建的PE-skin（1）在0.045–0.319 N范围内表现出高灵敏度，无线可穿戴生物电子器件（1a）实现了多模态人体生理信号的非侵入式监测，面部计算机界面（1b）结合机器学习实现了9种情绪和12个词汇的准确识别。
本工作的核心贡献包括：（i）引入了一种典型的本征柔性无机压电POM SNW；（ii）实现了从压电POM SNWs到无线WBEs的可规模化制造；（iii）展示了基于POM SNW的WBE在个性化人体健康管理中的应用；（iv）推进了人机界面技术的发展，使POM SNW基WBE能够辅助行动障碍患者、促进情绪调节、支持医疗康复、增强人机协作，并推动元宇宙中的虚拟社交互动。
本研究的突出亮点在于：首先，在材料层面突破了无机压电材料本征脆性的瓶颈，利用亚纳米线的独特性质实现了本征柔性与高压电性能的统一。其次，构建了从亚纳米材料到无线可穿戴系统的完整技术链条，展示了可规模化的制造路径。第三，将PE-skin与无线集成电路和机器学习算法集成，实现了高精度、多模态的人机交互。第四，1a在三个月后仍能稳定工作，表现出优异的耐久性和长期稳定性，这是可穿戴器件实用化的关键指标。