本研究由重庆大学的 Zhihao Zhou 和 Jin Yang 作为通讯作者，联合 Hongbing Wu、Jingjing Fu、Gaoqiang Zhang 等多位研究人员共同完成。该研究成果于2024年11月12日在线发表于国际知名期刊 Nano Letters（第24卷，第14781至14789页），论文标题为《Fully Integrated Passive Wireless Sensor with Mechanical−Electrical Double-Gradient for Multifunctional Healthcare Monitoring》。
在个人健康评估和专业患者护理领域，对压力、湿度（moisture）和温度等多项生理参数进行准确、有效且连续的监测至关重要，尤其是对于久坐或长期卧床的患者而言。对这些关键参数的精确追踪不仅能够实现定量的健康分析，还可以作为有效的预防措施。然而，传统的健康监测系统大多依赖于刚性组件和有线接口，面临着巨大的挑战。这些挑战包括：测量方法受限、传感器与人体组织之间的模量失配（modulus mismatch）导致的机械失效和分层问题、在静态负载下难以检测微小的动态压力变化、多参数传感集成度低，以及不同传感量之间的信号解耦困难。此外，有线数据传输和电池供电方式也难以实现长期持续的监测。
无源无线技术被认为是克服上述障碍的最具前景的策略之一。然而，现有的基于近场通信（near-field communication）和电感-电阻-电容（inductor-resistor-capacitor）无源技术的传感系统仍存在诸多缺点，例如尺寸过大、工作范围有限，以及在数据采集过程中易受压力和温度变化干扰。因此，开发一种高度集成的无源无线传感器对于实现长期、多功能的医疗健康监测具有重大意义。
基于此，本研究旨在开发一种名为“多参数无源无线传感器”（Multiparameter Passive Wireless Sensor, MWS）的全集成设备，通过引入独特的机械-电学双梯度（mechanical-electrical dual-gradient）结构设计，以期在检测维度、灵敏度和稳定性方面实现突破，从而满足长期医疗健康监测的需求。
MWS的整体设计采用垂直堆叠的多层结构，尺寸仅为22 mm × 22 mm × 2.3 mm，具有高度集成和紧凑的特点。该传感器的核心组件包括三部分：无源无线电路、柔性电极以及一个多参数传感单元。无源无线电路采用柔性印刷电路技术制造，以聚酰亚胺作为支撑层，并集成了射频识别（Radio Frequency Identification, RFID）芯片与天线。其底部电极由亲水性碳纤维织物制成，允许水蒸气穿透，顶部电极则由银纤维织物制成，所有材料均为柔性，从而确保了传感器优异的可穿戴性和贴合性，能够适应臀部、胸部、背部和脚后跟等不同身体部位。
多参数传感单元是整个系统的核心创新点，它由具有梯度孔径分布的多孔聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）海绵构成。其制备流程分为两步：首先，采用定向冷冻法（directional freezing method）制备具有梯度结构的镍泡沫模板；随后，利用牺牲模板法（sacrificial template method）制备出具有自上而下孔径不均匀分布的多孔PDMS。在此基础上，通过低成本的梯度还原工艺，在多孔PDMS表面涂覆还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide, rGO），从而构建出独特的“机械-电学双梯度结构”。该结构中，上层孔隙稀疏且掺杂有未完全还原的氧化石墨烯（graphene oxide, GO），电阻较低；而下层孔隙密集且GO被完全还原，电阻较高。这种结构为此后的多模态传感建立了两种独立的传感通路，分别是用于压力检测的层间电阻路径和用于湿度检测的层间电容路径。
研究团队利用有限元分析软件COMSOL对PDMS泡沫的力学性能进行了建模分析。模拟结果显示，在外力作用下，应力主要集中于外力直接接触区域和孔隙稀疏区域，并随着孔隙变得密集而减小。在电学性能方面，当施加微小垂直外力时，传感单元的上层稀疏孔隙部分首先发生轻微压缩，而下层保持原状，此时导电路径缩短且导电网络增多，导致电阻下降；随着外力持续增大，下层开始形变，而上层被几乎压平，孔隙壁的接触面积进一步增大，导致导电网络进一步增加和导电路径的进一步缩短，从而使电阻持续降低。
在压力传感性能的量化评估中，研究采用了电流变化率作为指标。实验结果表明，该双梯度传感单元在0至50 kPa的压力检测范围内，灵敏度高达31.87 kPa⁻¹，这一数值是具有单一梯度结构的传感器的2.6倍。更为突出的是，在50 kPa压力下，双梯度传感单元的输出比单一梯度结构传感器高出578%。此外，该传感单元还具备23毫秒的快速响应时间和26毫秒的恢复时间，展现了其捕捉人体动态信号的潜力。在1 kPa恒定压力、0.5至8 Hz频率范围内的测试中，其输出表现出良好的一致性。在承受26800次循环压力测试后，传感单元仍能保持稳定的输出，证明了其卓越的稳定性和可重复性。
在多参数独立检测方面，该传感单元实现了压力与湿度的同步且独立测量。压力信号通过上下电极间的电阻变化获取，而湿度信号则通过侧面电极间的电容变化感知，这是因为底部的未完全还原GO具有良好的亲水性。实验将湿度检测能力划分为五个等级：超低、低、中、高和满，分别对应2至4、10至20、30至50、70至100和180至240的电容变化率区间。研究还证实了压力对湿度测量的干扰可忽略不计，反之亦然。即使在23% RH至85% RH的宽湿度范围内，湿度引起的电阻最大变化也仅为1.5%，远低于微小压力（如1.5克小球从5厘米高处落下）引起的5.7%的电阻变化。
MWS集成了柔性偶极子天线，以实现在910至920 MHz工作频率范围内的能量供应和数据传输。天线的阻抗被精确设计为31-j320 Ω，以与RFID芯片实现阻抗匹配（impedance matching），从而实现最高的工作效率。实验证明，人体接触和一定程度的弯曲对天线性能和传感器输出影响极小。
为了确保测量精度，研究团队对RFID芯片内置的10位模数转换器及外部传感器接口进行了系统性的误差分析与校准。通过使用标准电阻和标准电容分别模拟压力和湿度传感器信号，他们量化了在不同参考电阻下的检测误差和数据波动。结果显示，电阻检测存在约7.5%至17.3%的系统误差，但同一参考电阻下的数据波动很小，可通过偏移法简单消除。电容检测的系统误差则在1%至8.8%之间。
在概念验证实验中，研究人员将多个MWS组成阵列，放置在距离受试者1.1米处的椅子或床上，以演示其多参数、多部位无线监测能力。实验成功获取了受试者在坐姿和卧姿下的呼吸信号、咳嗽信号以及身体运动信号（如翻身）。通过小波变换（wavelet transform）算法对采集的压力信号进行处理，还成功提取出了心冲击图（ballistocardiograph, BCG）信号，并能准确再现G、H、I、J、K和L波等细节。此外，通过对附着在衣物上的MWS进行24小时的连续采样，获得了体温的昼夜节律变化曲线。通过反复的滴水与干燥实验，MWS成功地将不同滴水量造成的湿度变化归类为相应的预设湿度等级。
本研究呈现了一个由机械-电学双梯度结构驱动，高度集成、无源无线的多参数传感器MWS。其核心成果包括：第一，成功地通过梯度还原GO构建了双梯度结构，首次在一个传感器单元内建立了独立的电阻和电容两条传感通路，实现了压力与湿度的独立、同步检测，并包含温度传感功能。第二，该传感器展示了卓越的单参数性能，压力灵敏度达31.87 kPa⁻¹，是单梯度结构的2.6倍，并具备五级湿度识别能力、23毫秒快速响应和高循环稳定性。第三，传感器成功与RFID技术集成，实现了能量的无线获取和数据的无线传输，验证了其作为一个无电池、可穿戴的体域传感器网络节点的可行性，并成功应用于多点、多参数生理信号（呼吸、心冲击图、体温、湿度）的实时监测。
本研究成功开发了一款全集成无源无线传感器，用以克服传统健康监测系统在机械兼容性、测量维度和集成度方面的局限。其科学价值在于，首次提出并验证了“机械-电学双梯度”这一创新的传感器设计理念，它不仅极大提升了压力灵敏度，更巧妙地解决了多参数传感单元中的信号解耦难题，为设计多功能集成传感器提供了新范式。其应用价值在于，该传感器无需电池、结构紧凑、贴合性好，能够自由部署于身体多个易产生压疮的部位，对卧床病患的压力、皮肤湿度和体温进行长期、连续、实时监控。这不仅看护者提供了宝贵的定量化决策依据，也为下一代个人健康管理系统的发展和实时生理及临床研究铺平了道路，展现了巨大的转化应用潜力。
该研究的最大亮点在于其创新的材料结构设计。通过成本低廉的梯度还原工艺处理GO包覆的梯度多孔PDMS，巧妙地创造出了“机械-电学双梯度”整体结构。这一结构的巧妙之处在于，它不仅通过调节泡孔形变顺序提升了压力灵敏度（2.6倍于单梯度结构），还通过区分上下层的导电性与亲水性，在物理层面直接构建了层间电阻和侧面电容两条天然解耦的敏感路径，从而以极其简洁的结构实现了压力、湿度、温度三参数的同步、独立、高精度感知，从根本上解决了柔性多模态传感器面临的核心信号串扰难题。此外，将这种高性能传感单元与无源无线RFID技术无缝集成，形成了一个真正无电池、柔性且可多点组网的微型化系统，实现了对心冲击图等微弱生理动态信号的无线提取，体现了从材料到器件再到系统的全链条创新。