針對(duì)現(xiàn)有假肢控制中表面肌電（sEMG）信號(hào)難以區(qū)分單個(gè)肌肉動(dòng)作、無(wú)法精準(zhǔn)控制單個(gè)手指的痛點(diǎn)，國(guó)科溫州研究院陳強(qiáng)課題組和南京工業(yè)大學(xué)孫庚志團(tuán)隊(duì)、金陵科技學(xué)院張曌團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)了一種可同時(shí)檢測(cè)機(jī)械信號(hào)與 sEMG 信號(hào)的非侵入式表皮傳感器（UHSH 傳感器）。該傳感器通過(guò)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠基底、脆性導(dǎo)電納米復(fù)合膜的裂紋傳感機(jī)制及點(diǎn)擊化學(xué)的強(qiáng)界面黏附設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)肌肉收縮產(chǎn)生的微弱機(jī)械形變（皮膚凸起）與生物電信號(hào)的同步捕捉。其機(jī)械傳感靈敏度在 10% 應(yīng)變下高達(dá) 622，檢測(cè)范圍覆蓋 400%，且能穩(wěn)定工作 5 萬(wàn)次以上；肌電檢測(cè)界面阻抗低于 3 kΩ，信噪比達(dá) 44.7 dB。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，該傳感器對(duì)單個(gè)手指動(dòng)作的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá) 96%，可成功控制機(jī)械假肢完成抓取、移動(dòng)、釋放等精細(xì)動(dòng)作，為肢體殘疾人群的假肢精準(zhǔn)操控提供了全新解決方案，也為下一代人機(jī)交互技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。該工作由多方合作共同完成，國(guó)科溫州研究院史鑫磊助理研究員、金陵科技學(xué)院張曌博士和哈爾濱工程大學(xué)劉鑫同學(xué)為共同第一作者，孫庚志教授和陳強(qiáng)研究員為共同通訊作者。

前沿背景：假肢控制的 “精準(zhǔn)化” 困境亟待突破

全球肢體殘疾人群面臨諸多生活挑戰(zhàn)，假肢作為改善其生活質(zhì)量的關(guān)鍵輔助設(shè)備，“精準(zhǔn)操控” 始終是研究核心 —— 能否像健康手臂一樣靈活控制單個(gè)手指，直接決定了假肢能否完成穿衣、吃飯等日常精細(xì)動(dòng)作。

目前，基于表面肌電（sEMG）信號(hào)的假肢控制是主流方案，其憑借安全、舒適、低成本的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用。但核心局限始終存在：sEMG 信號(hào)是多個(gè)肌肉收縮的 “疊加信號(hào)”，無(wú)法精準(zhǔn)定位單個(gè)肌肉的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這導(dǎo)致現(xiàn)有假肢大多只能實(shí)現(xiàn)整體抓取，難以控制單個(gè)手指的獨(dú)立彎曲，極大限制了假肢的實(shí)用價(jià)值。

為解決這一問(wèn)題，研究者曾嘗試提升 sEMG 信號(hào)精度（如降低電極與皮膚阻抗）或集成傳感器陣列，但前者仍無(wú)法區(qū)分單個(gè)肌肉動(dòng)作，后者則增加了電路設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)與數(shù)據(jù)分析難度。在此背景下，“同步捕捉肌肉的生物電與機(jī)械形變信號(hào)” 的創(chuàng)新思路，成為突破假肢精準(zhǔn)控制瓶頸的關(guān)鍵方向。

一、傳感器設(shè)計(jì)：三大核心創(chuàng)新突破雙信號(hào)檢測(cè)瓶頸

本研究的核心在于構(gòu)建 “能同時(shí)‘聽(tīng)’（sEMG 信號(hào)）和‘摸’（機(jī)械形變）肌肉動(dòng)作” 的傳感器，通過(guò)三大設(shè)計(jì)策略實(shí)現(xiàn)性能突破：

1. 雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠基底：兼顧柔性、導(dǎo)電性與保水性

傳感器基底采用Agar/P（AAm-co-GMA）雙網(wǎng)絡(luò)有機(jī)水凝膠，通過(guò)物理交聯(lián)（瓊脂）與化學(xué)交聯(lián)（聚丙烯酰胺網(wǎng)絡(luò)）結(jié)合，既具備與人體皮膚匹配的柔性（楊氏模量 0.3 MPa，接近皮膚的 0.5~1.95 MPa），又擁有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度（斷裂伸長(zhǎng)率 1909%）。同時(shí)，通過(guò)甘油與 NaCl 的溶劑交換，基底實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)效保水（30 天內(nèi)重量保留率超 88%）與離子導(dǎo)電能力，為 sEMG 信號(hào)檢測(cè)提供穩(wěn)定載體。

2. 脆性導(dǎo)電復(fù)合膜：裂紋機(jī)制實(shí)現(xiàn)高靈敏度機(jī)械傳感

在水凝膠表面涂覆 AgNW（銀納米線）/MXene/BSA（牛血清白蛋白）脆性導(dǎo)電膜，通過(guò) “裂紋傳感機(jī)制” 突破傳統(tǒng)水凝膠傳感器靈敏度低的問(wèn)題：當(dāng)肌肉收縮引發(fā)皮膚微變形時(shí)，脆性導(dǎo)電膜會(huì)產(chǎn)生細(xì)微裂紋，導(dǎo)致電阻急劇變化，從而精準(zhǔn)捕捉微弱機(jī)械信號(hào)。這種設(shè)計(jì)使傳感器在 10% 應(yīng)變下的靈敏度（GF 值）達(dá)到 622，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)水凝膠傳感器（僅 0.12），且能檢測(cè)低至 0.1% 的微小應(yīng)變，足以識(shí)別肌肉收縮的細(xì)微動(dòng)態(tài)。

3. 點(diǎn)擊化學(xué)界面：解決導(dǎo)電膜與基底的脫落難題

通過(guò)點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)（水凝膠表面的環(huán)氧基團(tuán)與 BSA 的氨基形成 C-N 共價(jià)鍵），實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電膜與水凝膠基底的強(qiáng)黏附（黏附強(qiáng)度達(dá) 127 kPa），確保傳感器在反復(fù)拉伸（400% 應(yīng)變）與長(zhǎng)期使用（5 萬(wàn)次循環(huán)）中，導(dǎo)電層不脫落、信號(hào)不中斷，解決了柔性傳感器常見(jiàn)的 “層間分離” 失效問(wèn)題。

圖1. 超高敏感性水凝膠基機(jī)械 / 表面肌電信號(hào)傳感器示意圖

圖2.超高應(yīng)變敏感性水凝膠基（UHSH）傳感器的表征

圖3. UHSH 傳感器的應(yīng)變傳感性能

二、性能驗(yàn)證：機(jī)械與肌電傳感 “雙優(yōu)”，滿足實(shí)用需求

1. 機(jī)械傳感性能：靈敏、穩(wěn)定、抗干擾

高靈敏度與寬檢測(cè)范圍 除 10% 應(yīng)變下 GF 值 622 外，傳感器最大檢測(cè)范圍達(dá) 400%，可覆蓋從手指微屈到手臂大幅動(dòng)作的全場(chǎng)景形變；

超長(zhǎng)穩(wěn)定性 在 100% 應(yīng)變下循環(huán)拉伸 5 萬(wàn)次后，電阻變化峰值與基線仍保持穩(wěn)定，無(wú)明顯衰減；

抗干擾能力 拉伸狀態(tài)下（400% 應(yīng)變）界面阻抗僅增加不到 4 倍，避免機(jī)械形變對(duì) sEMG 信號(hào)檢測(cè)的干擾，確保雙信號(hào)獨(dú)立可靠。

2. 肌電傳感性能：低阻抗、高信噪比

傳感器基底的離子導(dǎo)電性使其與皮膚界面阻抗低于 3 kΩ，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)電極（通常數(shù)十 kΩ），可有效減少信號(hào)損耗；同時(shí)，44.7 dB 的高信噪比確保 sEMG 信號(hào)清晰，即使是肌肉輕微收縮產(chǎn)生的微弱信號(hào)也能被精準(zhǔn)捕捉。此外，細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)顯示，傳感器與細(xì)胞共培養(yǎng) 24 小時(shí)后細(xì)胞存活率超 80%，具備良好生物相容性，可長(zhǎng)期貼膚使用。

三、潛在應(yīng)用：從 “信號(hào)識(shí)別” 到 “假肢操控” 的全鏈條驗(yàn)證

1. 精準(zhǔn)識(shí)別單個(gè)手指動(dòng)作：雙信號(hào)的協(xié)同優(yōu)勢(shì)

人體手指彎曲主要由指淺屈?。‵DS）控制，不同手指對(duì)應(yīng) FDS 的不同區(qū)域 —— 肌肉收縮時(shí)，對(duì)應(yīng)皮膚會(huì)產(chǎn)生特定的機(jī)械形變（凸起 / 凹陷）與 sEMG 信號(hào)。UHSH 傳感器通過(guò)同步捕捉這兩種信號(hào)：

機(jī)械信號(hào)反映皮膚形變的 “位置與幅度”，sEMG 信號(hào)反映肌肉收縮的 “強(qiáng)度”；

結(jié)合兩者差異，可精準(zhǔn)區(qū)分 “拇指伸展”“食指彎曲”“中指彎曲” 等 5 種典型動(dòng)作，解決了單一 sEMG 信號(hào)無(wú)法定位單個(gè)肌肉的難題。

2. 機(jī)器學(xué)習(xí)賦能：動(dòng)作識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá) 96%

研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了包含輸入層、隱藏層、自適應(yīng)軟閾值層的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，將雙信號(hào)數(shù)據(jù)（sEMG 的頻率域特征 + 機(jī)械信號(hào)的電阻均值）輸入模型訓(xùn)練。最終在驗(yàn)證集上，單個(gè)手指動(dòng)作的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá) 96%，且對(duì)不同個(gè)體的適應(yīng)性良好，為批量應(yīng)用提供可能。

3. 假肢操控實(shí)戰(zhàn)：完成精細(xì)抓取動(dòng)作

通過(guò)將 UHSH 傳感器貼附于殘肢的 FDS 區(qū)域，傳感器可實(shí)時(shí)將雙信號(hào)傳輸至假肢控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)顯示，該系統(tǒng)能精準(zhǔn)復(fù)刻殘肢者的動(dòng)作意圖，控制機(jī)械假肢完成 “抓取小球”“拿起鋼筆”“釋放物品” 等精細(xì)動(dòng)作，動(dòng)作響應(yīng)延遲低，穩(wěn)定性強(qiáng)，真正實(shí)現(xiàn)了假肢從 “粗控” 到 “精控” 的跨越。

圖4. UHSH 傳感器結(jié)構(gòu)、測(cè)試區(qū)域及信號(hào)檢測(cè)性能圖

圖5. 手指彎曲運(yùn)動(dòng)控制機(jī)制、機(jī)器學(xué)習(xí)算法及假肢操控演示圖

小結(jié)

本研究以 “解決假肢精準(zhǔn)操控痛點(diǎn)” 為核心，提出了 “機(jī)械 + sEMG 雙信號(hào)同步檢測(cè)” 的創(chuàng)新策略，通過(guò)三大設(shè)計(jì)突破（雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠基底、裂紋傳感導(dǎo)電膜、點(diǎn)擊化學(xué)界面），成功開(kāi)發(fā)出性能卓越的 UHSH 傳感器。該傳感器不僅在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了 “單傳感器實(shí)現(xiàn)雙信號(hào)精準(zhǔn)檢測(cè)” ，更在應(yīng)用上基于非侵入式傳感器的單個(gè)手指假肢控制，為肢體殘疾人群帶來(lái)了更貼近自然的假肢操控體驗(yàn)。

未來(lái)，隨著該技術(shù)與人工智能、大數(shù)據(jù)的深度融合，其應(yīng)用場(chǎng)景有望進(jìn)一步拓展至智能健康監(jiān)測(cè)（如肌肉疾病早期預(yù)警）、運(yùn)動(dòng)康復(fù)輔助（如術(shù)后動(dòng)作矯正）等領(lǐng)域，為人體工學(xué)與醫(yī)療康復(fù)的交叉創(chuàng)新提供新路徑。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.169648

來(lái)源：高分子凝膠與網(wǎng)絡(luò)