針對現(xiàn)有假肢控制中表面肌電（sEMG）信號難以區(qū)分單個肌肉動作、無法精準(zhǔn)控制單個手指的痛點，國科溫州研究院陳強課題組和南京工業(yè)大學(xué)孫庚志團(tuán)隊、金陵科技學(xué)院張曌團(tuán)隊合作開發(fā)了一種可同時檢測機(jī)械信號與 sEMG 信號的非侵入式表皮傳感器（UHSH 傳感器）。該傳感器通過雙網(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)制及點擊化學(xué)的強界面黏附設(shè)計，實現(xiàn)了對肌肉收縮產(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，檢測范圍覆蓋 400%，且能穩(wěn)定工作 5 萬次以上；肌電檢測界面阻抗低于 3 kΩ，信噪比達(dá) 44.7 dB。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，該傳感器對單個手指動作的識別準(zhǔn)確率達(dá) 96%，可成功控制機(jī)械假肢完成抓取、移動、釋放等精細(xì)動作，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手指，直接決定了假肢能否完成穿衣、吃飯等日常精細(xì)動作。

目前，基于表面肌電（sEMG）信號的假肢控制是主流方案，其憑借安全、舒適、低成本的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。但核心局限始終存在：sEMG 信號是多個肌肉收縮的 “疊加信號”，無法精準(zhǔn)定位單個肌肉的運動狀態(tài)。這導(dǎo)致現(xiàn)有假肢大多只能實現(xiàn)整體抓取，難以控制單個手指的獨立彎曲，極大限制了假肢的實用價值。

為解決這一問題，研究者曾嘗試提升 sEMG 信號精度（如降低電極與皮膚阻抗）或集成傳感器陣列，但前者仍無法區(qū)分單個肌肉動作，后者則增加了電路設(shè)計負(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” 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：三大核心創(chuàng)新突破雙信號檢測瓶頸

本研究的核心在于構(gòu)建 “能同時‘聽’（sEMG 信號）和‘摸’（機(jī)械形變）肌肉動作” 的傳感器，通過三大設(shè)計策略實現(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)械強度（斷裂伸長率 1909%）。同時，通過甘油與 NaCl 的溶劑交換，基底實現(xiàn)了長效保水（30 天內(nèi)重量保留率超 88%）與離子導(dǎo)電能力，為 sEMG 信號檢測提供穩(wěn)定載體。

2. 脆性導(dǎo)電復(fù)合膜：裂紋機(jī)制實現(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 “裂紋傳感機(jī)制” 突破傳統(tǒng)水凝膠傳感器靈敏度低的問題：當(dāng)肌肉收縮引發(fā)皮膚微變形時，脆性導(dǎo)電膜會產(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。這種設(shè)計使傳感器在 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），且能檢測低至 0.1% 的微小應(yīng)變，足以識別肌肉收縮的細(xì)微動態(tài)。

3. 點擊化學(xué)界面：解決導(dǎo)電膜與基底的脫落難題

通過點擊化學(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 共價鍵），實現(xiàn)導(dǎo)電膜與水凝膠基底的強黏附（黏附強度達(dá) 127 kPa），確保傳感器在反復(fù)拉伸（400% 應(yīng)變）與長期使用（5 萬次循環(huán)）中，導(dǎo)電層不脫落、信號不中斷，解決了柔性傳感器常見的 “層間分離” 失效問題。

圖1. 超高敏感性水凝膠基機(jī)械 / 表面肌電信號傳感器示意圖

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、性能驗證：機(jī)械與肌電傳感 “雙優(yōu)”，滿足實用需求

1. 機(jī)械傳感性能：靈敏、穩(wěn)定、抗干擾

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

超長穩(wěn)定性 在 100% 應(yīng)變下循環(huán)拉伸 5 萬次后，電阻變化峰值與基線仍保持穩(wěn)定，無明顯衰減；

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 sEMG 信號檢測的干擾，確保雙信號獨立可靠。

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），可有效減少信號損耗；同時，44.7 dB 的高信噪比確保 sEMG 信號清晰，即使是肌肉輕微收縮產(chǎn)生的微弱信號也能被精準(zhǔn)捕捉。此外，細(xì)胞毒性實驗顯示，傳感器與細(xì)胞共培養(yǎng) 24 小時后細(xì)胞存活率超 80%，具備良好生物相容性，可長期貼膚使用。

三、潛在應(yīng)用：從 “信號識別” 到 “假肢操控” 的全鏈條驗證

1. 精準(zhǔn)識別單個手指動作：雙信號的協(xié)同優(yōu)勢

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

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

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 種典型動作，解決了單一 sEMG 信號無法定位單個肌肉的難題。

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

研究團(tuán)隊構(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，將雙信號數(shù)據(jù)（sEMG 的頻率域特征 + 機(jī)械信號的電阻均值）輸入模型訓(xùn)練。最終在驗證集上，單個手指動作的識別準(zhǔn)確率達(dá) 96%，且對不同個體的適應(yīng)性良好，為批量應(yīng)用提供可能。

3. 假肢操控實戰(zhàn)：完成精細(xì)抓取動作

通過將 UHSH 傳感器貼附于殘肢的 FDS 區(qū)域，傳感器可實時將雙信號傳輸至假肢控制系統(tǒng)。實驗顯示，該系統(tǒng)能精準(zhǔn)復(fù)刻殘肢者的動作意圖，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)動作，動作響應(yīng)延遲低，穩(wěn)定性強，真正實現(xiàn)了假肢從 “粗控” 到 “精控” 的跨越。

圖4. UHSH 傳感器結(jié)構(gòu)、測試區(qū)域及信號檢測性能圖

圖5. 手指彎曲運動控制機(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” 為核心，提出了 “機(jī)械 + sEMG 雙信號同步檢測” 的創(chuàng)新策略，通過三大設(shè)計突破（雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠基底、裂紋傳感導(dǎo)電膜、點擊化學(xué)界面），成功開發(fā)出性能卓越的 UHSH 傳感器。該傳感器不僅在技術(shù)上實現(xiàn)了 “單傳感器實現(xiàn)雙信號精準(zhǔn)檢測” ，更在應(yīng)用上基于非侵入式傳感器的單個手指假肢控制，為肢體殘疾人群帶來了更貼近自然的假肢操控體驗。

未來，隨著該技術(shù)與人工智能、大數(shù)據(jù)的深度融合，其應(yīng)用場景有望進(jìn)一步拓展至智能健康監(jiān)測（如肌肉疾病早期預(yù)警）、運動康復(fù)輔助（如術(shù)后動作矯正）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

來源：高分子凝膠與網(wǎng)絡(luò)