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  傳統(tǒng)剛性人機界面面臨顯著的局限性，主要表現為與人體皮膚之間的力學性能失配，以及依賴外部電源導致的頻繁維護和更換問題，這嚴重制約了其在需要長期穩(wěn)定運行和高生物相容性要求的無縫人機交互場景中的應用。在此背景下，憑借其獨特的材料特性，如能源自主性、可調控的力學性能、類組織柔軟性以及優(yōu)異的生物相容性，自供能水凝膠傳感器正逐漸成為推動可穿戴醫(yī)療監(jiān)測、柔性機器人感知和下一代智能人機界面發(fā)展的關鍵技術方案。然而，要實現該技術的規(guī)模化應用，仍需攻克長期循環(huán)穩(wěn)定性不足、完全能源自主性欠缺以及自適應智能響應機制不完善等核心挑戰(zhàn)。基于此，通過構建材料特性、自供能機制與應用場景三者協同優(yōu)化的系統(tǒng)性解決方案，對于充分釋放自供能水凝膠人機界面在柔性智能交互領域的潛力至關重要。

  針對上述問題，西北工業(yè)大學機電學院陶凱教授課題組發(fā)表題為“Empowering Human-Machine Interfaces: Self-powered Hydrogel Sensors for Flexible and Intelligent Systems”的綜述論文。文章系統(tǒng)梳理了自供能水凝膠人機界面的發(fā)展情況，重點涵蓋針對多樣化需求的水凝膠性能優(yōu)化策略、自供能機制的分類、以AI賦能的智能應用為核心的關鍵場景，提出“材料—機制—應用”三維協同優(yōu)化框架，為推動以水凝膠傳感器為基石，融合能源自主性、多模態(tài)感知與AI增強響應能力的下一代人機界面發(fā)展提供指導。相關研究成果發(fā)表于國際期刊《Advanced Functional Materials》上。西北工業(yè)大學博士研究生谷一群、碩士研究生郭慶及中山大學博士研究生羅藝冰為文章共同第一作者，西北工業(yè)大學陶凱教授、吳宏景教授和中山大學吳進副教授為文章通訊作者。

圖1. 基于材料科學發(fā)展和功能需求演變的人機界面發(fā)展歷程。

圖2. 自供電水凝膠傳感器在人機界面中的應用概覽。

要點

  1.水凝膠增強策略：系統(tǒng)探究了提升水凝膠性能（如生物相容性、環(huán)境穩(wěn)定性、導電性、機械性能和自粘附性）的策略，比較了不同策略對水凝膠性能的影響。這些多樣化的策略為水凝膠的定制化提供了量身定制的技術，拓展了其在各個領域的應用。

  2.自供能水凝膠傳感器：回顧了基于摩擦電、壓電、熱電、光伏、水伏以及離子遷移和混合發(fā)電等自供能機制的自供電水凝膠傳感器。

  3.應用的多元化發(fā)展：探討了自供能水凝膠傳感器在人機界面中的廣泛應用和潛在價值及挑戰(zhàn)（如電子皮膚、醫(yī)療健康、腦機界面、VR/AR等）。

一．自供能水凝膠傳感器

  傳統(tǒng)的外部供電方式由于體積龐大且依賴定期更換電池，制約了水凝膠傳感器的小型化設計與系統(tǒng)集成。同時，剛性電源與柔性水凝膠材料間的力學性能失配，影響佩戴舒適性。為解決這一關鍵問題，基于能量轉換的新型供電策略，通過將機械能和生物能高效轉化為電能，為實現水凝膠傳感器的長期穩(wěn)定運行提供了創(chuàng)新解決方案。

圖3. 摩擦電式自供能水凝膠傳感器。（a）TENG的典型工作模式；（b）基于三重網絡水凝膠的TENG；（c）多功能水凝膠-彈性體作為可拉伸TENG；（d）TENG陣列作為人機交互界面及其性能表征。

圖4. 壓電式自供能水凝膠傳感器。（a）PAN-PVDF水凝膠的形成及其機電響應特性；（b）壓電型PVA/PVDF復合水凝膠及其發(fā)電能力；（c）P(AM-co-AN)水凝膠的工作原理與壓電輸出特性。

圖5. 熱電式自供能水凝膠傳感器。（a）熱電效應的工作機制；（b）高拉伸性離子水凝膠的熱電性能與火災預警性能；（c）混合離子-電子導電水凝膠的結構與熱電性能。納米纖維膜-微陣列水凝膠；（d）波浪結構可拉伸熱電發(fā)電機示意圖。

圖6. 光伏發(fā)電式自供能水凝膠傳感器。（a）光伏效應的工作原理；（b）基于水凝膠二極管的光酸摻雜光電傳感器；（c）納米纖維素介導的導電水凝膠及其電學性能。

圖7. 水伏發(fā)電式自供能水凝膠傳感器。（a）仿蓮花界面蒸發(fā)發(fā)電機；（b）用于滲透能收集的離子選擇性水凝膠膜及其在氯化鈉溶液和去離子水中的輸出電壓變化；（c）水摩擦發(fā)電互補式海洋能發(fā)電機及其野外應急應用。

二.自供能水凝膠人機界面應用

  水凝膠材料因其與人體組織相近的力學性能和優(yōu)異的生物兼容性，在柔性電子領域展現出顯著優(yōu)勢。基于這些特性，自供能水凝膠傳感器近年來在電子皮膚、機器人感知、醫(yī)療健康、康復訓練及腦機界面等領域得到快速發(fā)展，為人機交互界面向可持續(xù)、能量自治、智能化方向發(fā)展提供了新的技術路徑。

圖8. 自供能水凝膠傳感器應用于智能感知。（a）仿生結構色電子皮膚；（b）仿生多模態(tài)電子皮膚及其在人體運動監(jiān)測中的應用；（c）應用于機器人手的雙模態(tài)柔性電子皮膚；（d）用于咀嚼監(jiān)測的熱原電池水凝膠電子皮膚；（e）搭載深度學習算法的智能電子皮膚；（f）基于三層水凝膠設計的智能電子皮膚；（g）類皮膚韌性水凝膠電子皮膚。

圖9. 自供能水凝膠傳感器應用于機器人感知增強。（a）基于MXene水凝膠壓力傳感器的機器人觸覺感知系統(tǒng)；（b）環(huán)境適應性水凝膠機器人傳感材料；（c）水下機器人用抗疲勞水凝膠應變傳感器；（d）環(huán)境物體識別用多模態(tài)電子皮膚；（e）軟體機器人多模態(tài)電子皮膚；（f）具備深海觸覺感知的軟體機械手；（g）應變-摩擦電一體式電子皮膚實現的水下軟體機器人抓取系統(tǒng)。

圖10. 自供能水凝膠傳感器在健康監(jiān)測中的應用。（a）呼吸監(jiān)測：ⅰ）用于呼吸監(jiān)測的水凝膠濕度傳感器；ⅱ）非接觸式呼吸監(jiān)測；（b）汗液監(jiān)測：ⅰ）汗液中尿素的無創(chuàng)檢測；ⅱ)固態(tài)表皮生物標志物原位檢測；ⅲ）自供電表皮汗液生物標志物監(jiān)測；（c）運動監(jiān)測：ⅰ）用于筆跡識別與深度運動監(jiān)測的水凝膠應變傳感器；ⅱ）多功能水凝膠運動監(jiān)測傳感及傷口愈合。

圖11. 自供能水凝膠傳感器在康復訓練中的應用。（a）用于康復監(jiān)測的仿生壓力傳感器；（b）康復訓練與遠程診斷用多功能導電水凝膠傳感器；（c）多孔骨架封裝紗線式運動康復傳感器。

圖12. 可植入式水凝膠腦機界面。（a）用于長期腦信號監(jiān)測的拓撲水凝膠；（b）可注射超聲超構凝膠傳感器及其工作機制；（c）具有強韌導電水凝膠涂層的神經電極及其在體電生理信號記錄測試；（d）HPM-Y型腦神經信號記錄與神經調控系統(tǒng)；（e）基于支鏈淀粉的水凝膠腦機界面探針。

圖13. 非侵入式水凝膠腦機界面。（a）嚙齒類動物模型中力致電流生成與壓電離子神經調控；（b）用于無線腦電記錄的PVA-PVP-PDA納米粒子水凝膠；（c）用于腦電生理的ITO水凝膠電極。

圖14. 水凝膠傳感器應用于VR和AR。（a）手寫識別；（b）增強觸覺感知與力反饋指環(huán)。

圖15. AI賦能水凝膠人機界面。（a）接受7天個性化嗅覺訓練后的嗅覺能力變異分析；（b）基于深度神經網絡的姿態(tài)識別機器學習原理示意圖；（c）訓練與實時手語手勢識別的流程架構。

  該綜述系統(tǒng)梳理了自供能水凝膠人機界面的材料性能增強策略、自供能機制及多領域應用。自供能水凝膠傳感器憑借柔性、生物相容性及自供電特性在電子皮膚、醫(yī)療健康、腦機界面及VR/AR中廣泛應用，但其仍面臨輸出功率低、生物相容性、透氣性不足及循環(huán)穩(wěn)定性差等挑戰(zhàn)。未來研究仍需聚焦于（ⅰ）多網絡交聯/納米復合提升循環(huán)穩(wěn)定性；（ⅱ）復合供能機制實現多源能量轉換，增強能量輸出；（ⅲ）AI賦能多模態(tài)數據分析與決策，推動水凝膠人機界面的進一步智能化發(fā)展與應用，以推動水凝膠人機界面向更高層次的智能化發(fā)展，最終實現真正自治、高效、智能的人機交互系統(tǒng)。該論文得到了陜西省重點研發(fā)計劃、深圳市科技計劃項目、廣東省基礎與應用基礎研究基金、國家自然科學基金以及國家重點研發(fā)計劃的支持。

圖16. 自供能水凝膠人機界面的挑戰(zhàn)與展望。

  論文信息：Y. Gu, Y. Luo, Q. Guo, W. Yu, P. Li, X. Wang, T. Ye, H. Chang, W. Yuan, H. Wu, J. Wu, K. Tao, Empowering Human-Machine Interfaces: Self-Powered Hydrogel Sensors for Flexible and Intelligent Systems. Adv. Funct. Mater. 2025, e09085.

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202509085