基于仿生空间分布离子电子传感阵列的可穿戴系统用于深层组织模量的动态监测

一、 研究团队与发表信息

本研究由来自中国科学技术大学生物医学工程学院、生命科学与医学部（安徽合肥）的 Zhenning Wang, Ruoyu Sun, Chenghao Feng, Hao Bi, Yidan Wu, Jiangdong Gong, Yuyang Wang, Jiahao Guo, Yu Chang, Huizhi Wang, Tingrui Pan* 团队，以及苏州先进技术研究院、智能医疗器械与设备中心的合作者，上海交通大学医学院附属第一人民医院运动医学科的 Chaohua Fang，和北京科技大学国家材料服役安全科学中心的 Xiaoyuan Wang 共同完成。研究论文《A Wearable System Featuring Biomimetic Spatially Distributed Iontronic Sensing Array for Dynamic Monitoring of Deep Tissue Modulus》发表于期刊《Advanced Science》2026年第13卷，论文在线发表日期为2025年11月25日。

二、 学术背景与研究目标

本研究的核心科学领域是柔性电子、生物力学传感与可穿戴健康监测技术。评估软组织硬度对于疾病诊断（如水肿、肌肉纤维化、痉挛）和运动功能监测至关重要。然而，现有技术（如手动触诊、超声弹性成像、台式万能试验机）存在显著局限：它们大多局限于皮肤表层测量或只能进行准静态评估，无法实现对人体活动中深层肌肉组织硬度的实时、动态、无创监测。肌肉硬度会随着神经肌肉激活、疲劳以及病理状态（如纤维化、水肿）而动态变化，而浅表组织（皮肤、皮下脂肪）的硬度在这些过程中几乎不变。因此，开发能够动态监测包含深层肌肉在内的多层复合组织杨氏模量的可穿戴系统，对于个性化医疗、家庭健康管理、运动表现评估和康复训练优化具有重大意义。

研究目标明确：受人体手指触觉感知机制的启发，开发一种名为 DMYD 的可穿戴系统，旨在实现对包含深层肌肉在内的多层软组织杨氏模量进行实时、动态、准确的监测。该系统需克服现有技术的不足，集成高精度传感与舒适佩戴设计，最终在体外模型、离体生物组织以及人体活体实验中验证其性能与应用潜力。

三、 详细研究流程与方法

本研究遵循了从仿生设计、器件开发、仿真优化、体外验证到最终人体应用验证的完整科研流程。

1. 仿生设计与系统原理 研究灵感来源于人类手指垫的触觉感知机制。手指垫密布着默克尔盘和帕西尼小体等机械感受器，它们分布在不同的位置和深度，并由快速传导的神经纤维支配。单个神经纤维可以支配多个感受器，使得空间分布的信号能够被实时整合，从而形成具有精细空间分辨率的感受野。这种协同组织使手指能够感知压力大小、定位接触区域，并通过整合压力、空间和时间线索，在触摸过程中感知组织硬度及其动态变化。

基于此，DMYD 系统模仿了这一空间编码策略。其核心是一个半球形压头，该压头集成了两种传感器： * 接触力传感器：位于压头顶部，采用高重复性、高精度的压阻式传感元件，用于测量压头与组织之间的总接触力（F）。 * 接触半径传感器：作为核心创新，由四个均匀分布在半球形表面的柔性离子电子压力传感阵列组成。每个阵列具有高空间分辨率（0.4毫米）和低检测限（<0.2 kPa），模仿了机械感受器的空间分布。当压头压入组织时，被激活（即感应到非零压力）的传感单元数量会随着接触面积的增大而增加。通过实时统计四个阵列上被激活的单元数量，可以重构出接触半径（a）。

系统通过同步采集接触力 F 和接触半径 a，并基于赫兹接触理论（Hertz contact theory）的公式 E = (³⁄₄) * (1-ν²) * F * R^(-¹⁄₂) * a^(-³⁄₂)（其中ν为泊松比，R为压头半径），实时计算被测组织的等效杨氏模量（E）。

2. 传感器制备与性能表征 * 接触力传感器：采用三层结构（电极层、功能层、封装层）。电极层为叉指状铜镀聚酰亚胺薄膜，功能层为导电聚乙烯薄膜。实验验证表明，该传感器具有高线性度（非线性度3.4%）、低滞后（5.9%）、优异的重复性（变异系数0.9%）、低漂移（30分钟内输出变化5.4%）和高机械疲劳抗力（3600次循环后稳定）。动态响应时间在2毫秒以内，满足日常活动监测需求。 * 接触半径传感器：同样为三层结构，但其功能层是关键——采用氧化铟锡基离子电子膜，利用电双层效应实现超高比电容，从而在微小形变下产生显著电容变化，实现了高灵敏度和超低检测限。传感单元采用交替奇偶配对的三层堆叠电极架构进行布线，将阵列总宽度控制在2毫米以内，使其能够紧密贴合在曲面上。实验证实，该传感器能可靠检测低至0.2 kPa的压力，响应/恢复时间在3毫秒以内，接触半径检测精度高达95.3%。

3. 有限元分析优化测量策略与佩戴舒适性 为了在准确测量深层复合组织硬度的同时最大限度保证佩戴舒适性，研究团队进行了系统的有限元模拟。他们建立了一个皮肤-脂肪-肌肉三层复合组织模型，系统评估了三个核心变量：压入深度（0-8毫米）、压头直径（4, 6, 8毫米）和肌肉杨氏模量（30, 60, 90, 120 kPa，对应放松、行走、跑步、上楼等状态）。

模拟结果发现： * 测量精度：随着压入深度增加，计算出的杨氏模量逐渐收敛于真实值。压头直径越大，达到收敛所需的深度（收敛深度）也越大，但测量精度更高（8毫米压头精度达93%）。这是因为更大的压头产生更低的局部接触应变，更符合赫兹模型的小应变假设，且能更好地整合深层组织的力学贡献。 * 佩戴舒适性：组织峰值压力随压入深度增加而增加，随压头直径减小而增加。但在所有模拟条件下，峰值压力均远低于人体皮肤的痛阈（约400 kPa），最高仅为35 kPa。 * 人体验证：对12名健康受试者的活体测试表明，使用不同尺寸压头（高度4, 6, 8毫米）在各种活动下，疼痛评分均很低（平均9分，满分100），证实了佩戴舒适性。

基于仿真与实验，研究最终选择直径为8毫米、高度为8毫米的压头作为最优配置，以在保证精度的同时提供足够的初始压入深度。

4. 体外验证系统准确性 研究使用不同硬度（≈30, 60, 90, 120 kPa）的均质聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体、离体猪肌肉样本以及多层异质PDMS模型来验证DMYD系统的准确性。以万能试验机（Universal Testing Machine）的测量结果为金标准。 * 均质PDMS：DMYD测量值与参考值无显著差异（p=0.31），平均测量精度达93.5%。 * 离体猪肌肉：测量精度达93.6%（p=0.13）。 * 多层异质PDMS模型：测量精度达96.8%。 这些结果证明了DMYD在均质/异质合成材料以及生物软组织上均能实现高精度模量估计。

5. 系统性能评估 研究进一步评估了DMYD的系统性能： * 动态监测能力：通过向气球内持续充气模拟硬度动态变化，DMYD测量的模量与内部压力变化高度同步（相关系数>0.99）。 * 抗汗液干扰：在PDMS样本表面施加人工汗液，测量结果与干燥条件下无显著差异。 * 长期稳定性与抗疲劳性：连续佩戴20分钟信号漂移仅2.6%；经过2000次加载-卸载循环后，测量误差变化仅5.8%；连续15天测量不同硬度PDMS，读数总变化小于7%。这些结果表明系统具有出色的鲁棒性。

6. 人体应用验证 * 术后水肿量化：对5名前交叉韧带重建术后患者进行监测。将DMYD测量的膝关节周围软组织模量与临床标准的大腿围（Thigh Circumference） 测量进行对比。结果显示，术后第3天的组织模量显著高于第1天（p<0.05），且DMYD测量的模量与大腿围度呈强相关（皮尔逊r=0.7， p<0.001），表明其可作为关节水肿的有效量化指标。此外，还观察到组织模量在早晨较低、傍晚较高的昼夜变化模式。 * 肌肉活动动态监测： * 肱二头肌：在健康受试者中，DMYD成功监测了休息时不同肘关节角度下的组织硬度（男性显著高于女性），以及在不同负重下进行肘屈伸运动时肌肉硬度的实时变化。硬度在肘关节45度屈曲时达到峰值。研究还比较了矢状面和水平面负重屈伸运动的差异，揭示了不同的肌肉激活模式，证明了其在评估运动效果和优化训练策略方面的潜力。 * 腓肠肌：在跳绳过程中，DMYD清晰捕捉到了每个跳跃周期中组织模量的循环变化模式（蹬地时急剧升高，腾空时下降）。跳绳1分钟后，组织模量显著增加（p<0.05），可能与肌肉水肿有关。随后进行静态拉伸，DMYD监测到模量在拉伸约30秒后开始下降，并在约100秒后下降速率减缓。

四、 主要研究结果

1. 成功开发了仿生可穿戴系统DMYD：该系统创新性地将空间分布的离子电子传感阵列与负载传感器集成于半球形压头，实现了对接触力和接触半径的同步、高精度、动态测量。
2. 通过有限元分析优化了系统设计：确定了8毫米直径/高度的压头为最优配置，在保证对深层复合组织（皮肤-脂肪-肌肉）高精度测量（仿真精度>93%）的同时，确保了佩戴舒适性（活体疼痛评分低）。
3. 验证了系统的高精度与鲁棒性：在均质PDMS、离体猪肌肉、多层异质PDMS模型上的测量精度均超过93%。系统具备动态监测能力，且抗汗液干扰、信号漂移小、机械疲劳性能优异。
4. 在临床前模型中证明了应用潜力：DMYD测量值与术后患者大腿围度强相关，能有效量化关节水肿，并观察到其昼夜变化规律，为家庭化术后监测提供了新工具。
5. 实现了人体肌肉动力学的实时动态监测：系统成功捕捉了健康受试者肱二头肌在静态、不同负重运动下的硬度变化，以及腓肠肌在跳绳和拉伸过程中的快速循环变化与缓慢恢复过程，揭示了任务依赖性的肌肉硬度动态特征。

这些结果层层递进：从器件原理验证（结果1），到通过仿真和体外实验确立其测量学性能（结果2、3），最终在真实人体场景中证实其功能价值（结果4、5），完整地支撑了研究结论。

五、 研究结论与价值

本研究成功开发并验证了一种名为DMYD的新型可穿戴系统，它能够实时、动态、准确地监测包含深层肌肉在内的多层软组织的杨氏模量。

• 科学价值：

  • 仿生传感新范式：将生物触觉系统的空间编码和神经整合原理成功转化为工程实现，为下一代高精度柔性力学传感提供了新思路。
  • 深层组织动态力学监测方法学突破：解决了现有技术难以在体、实时、动态评估深层肌肉硬度的难题，为肌肉生物力学研究提供了强有力的新工具。
  • 深化对组织-器件相互作用的理解：通过系统的有限元分析，揭示了压头尺寸、压入深度和组织特性对复合组织模量测量精度与佩戴舒适性的影响规律，为类似可穿戴力学传感器的设计提供了理论指导。

• 应用价值：

  • 个性化医疗与家庭健康管理：可用于术后水肿的长期定量监测，帮助制定个性化的康复介入时机和方案。
  • 运动科学与体能训练：能够实时评估不同运动模式下特定肌肉的激活状态和疲劳程度，为优化训练策略、预防运动损伤、评估训练效果提供客观数据。
  • 康复医学：为肌肉痉挛、纤维化等疾病的长期监测和疗效评估提供量化手段。
  • 人机交互与机器人：其高精度动态力学感知能力可用于开发更灵敏的假肢皮肤或机器人触觉系统。

六、 研究亮点

1. 高度的仿生创新性：首次模仿人体手指垫机械感受器的空间分布与神经整合策略，设计了空间分布离子电子传感阵列，用于实时重构接触半径，这是实现高精度动态模量测量的核心。
2. 解决关键挑战：成功将赫兹接触理论应用于可穿戴动态监测，并通过独特的传感器融合（压阻式测力+离子电子式测接触半径）和仿真优化的压入策略，解决了在体、动态、深层组织模量测量的技术难题。
3. 全面的性能验证：从仿真优化、体外材料验证、离体组织测试到健康人群和术后患者的人体实验，形成了完整、严谨的证据链，充分证明了系统的准确性、鲁棒性和实用潜力。
4. 明确的应用导向：研究不仅停留在器件开发，更深入探索了在术后监测和运动科学中的具体应用场景，展示了其转化为实际价值的清晰路径。

七、 其他有价值内容

研究团队在论文中客观讨论了本工作的局限性，包括：1）临床转化仍需大规模研究以建立“安全区”阈值和确定最佳干预时机；2）人体实验对象为年轻健康人群，结果在老年或肥胖人群中的普适性有待验证；3）赫兹模型基于均匀、各向同性、小应变假设，与多层生物组织的实际情况存在偏差，未来可通过机器学习或物理信息神经网络进行数据驱动校正；4）当前原型机为3D打印和小批量手工组装，未来需开发标准化、可扩展的制造工艺。这些讨论体现了研究的严谨性，并为未来工作指明了方向。

此外，论文通过与现有技术（如万能试验机、超声弹性成像、基于振动或压痕的其他可穿戴方法）的详细对比（见原文表1），突出了DMYD在准确性、适用性（适用于含肌肉的多层组织）、动态监测能力、实时性和可穿戴性方面的综合优势。