為了滿足可穿戴人機交互（HMI）在健康監(jiān)測、主動康復(fù)及智能交互等領(lǐng)域的需求，研究人員正專注于開發(fā)基于軟材料的柔性HMI設(shè)備，以替代傳統(tǒng)剛性界面組件，實現(xiàn)高效、連續(xù)的人體生物信號采集。這些柔性HMI設(shè)備雖展現(xiàn)出顯著應(yīng)用潛力，但現(xiàn)有方案仍存在關(guān)鍵局限：1）智能數(shù)據(jù)手套類界面限制手指自由活動、易積汗影響舒適度；2）傳統(tǒng)水凝膠電極普遍存在自粘性不足、與皮膚機械性能不匹配、界面阻抗高的問題，難以穩(wěn)定捕獲低信噪比（SNR）的表面肌電（sEMG）信號；3）多通道信號采集系統(tǒng)雖能提升識別精度，卻增加設(shè)備體積與便攜性難度，且多模態(tài)信號融合常導(dǎo)致算法復(fù)雜度過高、實時響應(yīng)性下降，多數(shù)系統(tǒng)還依賴外部網(wǎng)絡(luò)，限制戶外應(yīng)用。因此，開發(fā)兼具高舒適度、高信號質(zhì)量、便攜性與實時離線交互能力的全集成HMI界面，成為柔性電子領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。

水凝膠因三維聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與皮膚理化、力學(xué)特性相似，被廣泛用作柔性電子中的表皮電極材料，但其在HMI系統(tǒng)中的應(yīng)用仍面臨瓶頸：傳統(tǒng)聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠常因?qū)щ娦耘c機械性能難以平衡，且缺乏抗菌性與長期穩(wěn)定性，限制長期佩戴舒適性；雖有研究通過引入導(dǎo)電聚合物、碳納米管等提升性能，卻仍未解決界面接觸不穩(wěn)定與運動偽影問題；此外，常規(guī)sEMG采集系統(tǒng)依賴有線連接的離散器件，多模態(tài)融合進(jìn)一步增加系統(tǒng)復(fù)雜度與成本。為突破這些局限，需設(shè)計兼具強自粘、高導(dǎo)電、高穩(wěn)定性與抗菌性的水凝膠材料，并實現(xiàn)傳感模塊與采集電路的高效集成，以在保證信號質(zhì)量的同時，提升系統(tǒng)便攜性與實時性。

本文提出一種基于蜂蜜-氯化鈉（NaCl）共改性聚丙烯酰胺（HSCP）的智能水凝膠表皮電極，并集成構(gòu)建成共形生物粘附多模態(tài)腕帶系統(tǒng)，實現(xiàn)精準(zhǔn)、移動且實時的手語翻譯與人機交互，該HSCP水凝膠通過蜂蜜引入強自粘性（皮膚剪切強度≈2 kPa）、低楊氏模量（≈1.2 kPa，匹配軟生物組織）、天然抗菌性（金黃色葡萄球菌存活率低至21%）和保濕性，NaCl作為離子導(dǎo)電介質(zhì)賦予其1.6 S/m的高電導(dǎo)率，使sEMG信號SNR達(dá)31 dB（遠(yuǎn)超商用Ag/AgCl電極的17 dB），且16天連續(xù)使用后SNR仍維持在22 dB以上。腕帶基于柔性印刷電路板（FPCB）設(shè)計，體積僅40 mm2、重量8 g，集成雙通道sEMG采集芯片（KS1082）與三軸加速度（ADXL345）雙模態(tài)傳感器，可同步捕獲高頻sEMG（20-200 Hz）與低頻加速度（0-10 Hz）信號，通過平穩(wěn)小波包變換（SWPT）預(yù)處理與CBAM-LSTM-CNN輕量化AI模型，實現(xiàn)97.2%的手語識別準(zhǔn)確率。系統(tǒng)通過藍(lán)牙與專用移動APP通信，算法與模型本地部署，響應(yīng)延遲低于500 ms，無需聯(lián)網(wǎng)即可實現(xiàn)手語翻譯（文字+語音輸出）、機器人遠(yuǎn)程控制（處理模擬危險物品）及主動康復(fù)訓(xùn)練（驅(qū)動氣動手套輔助手部運動），在聽障人士溝通、中風(fēng)患者康復(fù)及工業(yè)危險場景中展現(xiàn)出顯著應(yīng)用價值。

2025年10月24日，相關(guān)工作以“Conformal Bioadhesive Hydrogel-Based Multimodal Wristband for Accurate, Mobile, and Real-Time Sign Language Translation and Human-Machine Interactions”為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》，共同通訊作者為中山大學(xué)吳進(jìn)副教授、付俊教授，南京工業(yè)大學(xué)霍峰蔚教授及西北工業(yè)大學(xué)陶凱教授，共同第一作者為中山大學(xué)肖明軒、羅藝冰等。

圖1水凝膠基移動式柔性腕帶式集成化HMI系統(tǒng)，適用于多功能應(yīng)用場景

圖2HSCP水凝膠的制備與表征

圖3柔性雙模態(tài)HMI系統(tǒng)的性能評估

圖4用于精準(zhǔn)HMI的SWPT算法與CBAM-LSTM-CNN模型構(gòu)建

圖5基于腕帶的可移動實時HMI界面的應(yīng)用

圖6基于可移動實時HMI界面的多功能應(yīng)用

論文信息：

Mingxuan Xiao, Yibing Luo, Huizhi Chen, Hao Wang, Dijie Yao, Dingkun Wang, Yujiang Pan, Baoli Zha, Qiuhua Yu, Ruijie Xie, Bo-Ru Yang, Kai Tao,* Jun Fu,* Fengwei Huo,* and Jin Wu*.Adv. Funct. Mater.2025, e22153.

原文鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202522153

來源：高分子科技