水凝胶增强机械变色结构色用于交互式双模态康复监测

柔性可穿戴传感器在康复医学领域潜力巨大，但现有技术多依赖单一电信号反馈，缺乏实时可视化交互，限制了训练参与度。受暗冠蓝鸦羽毛结构色启发，澳科大欧清东、曾嵩山和西安交大黄占东团队采用黑色导电聚合物水凝胶增强结构色策略，开发出一种兼具高结构色饱和度与电信号响应的柔性双模态传感器。该传感器将基于羟丙基纤维素(HPC)的结构色界面与导电聚合物水凝胶传感组件相结合。其中，导电聚合物水凝胶具有高可见光吸收率(>88%)，能吸收非相干散射光并抑制背景干扰，显著提升结构色彩饱和度，实现高达4.92的对比度指数。不同于在非黑色基底上呈现暗淡难辨的结构色，HPC在黑色水凝胶基底上展现出鲜艳可辨的色彩与优异的力致变色行为。此外，通过氢键与配位键网络增强的水凝胶传感单元表现出卓越的机电性能，包括867.1 kPa的拉伸强度、高应变灵敏度(应变因子达4.24)以及超过4400次循环的出色耐久性。相比传统单模态传感器，该集成化传感器可同步提供实时视觉与数字双重反馈，从而提升康复评估的精确度与交互性。这项技术有望为下一代康复医学的发展提供新路径。

I 仿生灵感与传感器设计

暗冠蓝鸦羽毛的钴蓝色源自其独特的构造：上层为透明角蛋白，中间层是具有纳米气腔的海绵结构，底层则为富含黑色素的吸收层。其中，黑色素通过吸收中间层产生的非相干散射光，显著增强了蓝色的色彩纯度。受这种羽毛中黑色素增强结构色机制的启发，本研究开发了一种新型双模态传感器(图1a)。通过利用黑色导电聚合物水凝胶(CPH)基底模拟底层黑色素层，以其高光吸收特性(吸收率>88%)吸收杂散光。上层HPC液晶则类似中间的海绵层，通过布拉格反射产生结构色。黑色基底能有效抑制背景干扰，显著提升结构色的饱和度与对比度。视觉对比证实(图1b)，相同图案在黑色基底上色彩鲜艳锐利，在非黑色基底上则模糊难辨。该传感器集成了两种反馈模式(图1c)。下层CPH作为应变传感单元，将形变转化为电信号。上层HPC液晶作为视觉交互界面，其特殊的螺旋结构的螺距可随外力可逆变化，产生从红到蓝的连续色彩变化。在卒中康复监测等应用中(图1d)，该设计实现了视觉提示与电信号量化的协同反馈。使用者可通过实时颜色变化直观调整动作，同步的电信号则为运动参数提供精确记录，从而提升康复训练的互动性与评估客观性。

图1. DM-BCESC 双模态传感器的设计与应用示意图。

II 黑色导电水凝胶的合成与表征

本研究通过原位聚合与后交联策略成功制备了具有共价与非共价多网络的黑色导电水凝胶。如图2a所示，首先将预制的聚丙烯酰胺-海藻酸钠 (PAM-ALG) 水凝胶置于含苯胺 (ANI) 单体的溶液中使其充分渗透，随后在Fe3?溶液中引发苯胺的原位聚合。Fe3?离子在此过程中发挥双重功能：既作为ANI聚合的引发剂，又与ALG的羧基及PANI链上的亚胺基形成配位键，从而构建了稳定的离子交联网络。同时，各组分间丰富的氢键进一步增强了网络的完整性与界面相容性。得益于该制备工艺的可控性，可获得多种定制形状的水凝胶(图2b)。引入PANI后，水凝胶由透明转变为黑色，并在整个可见光范围内表现出超过88%的高吸收率(图2c)，这为其作为结构色增强基底提供了关键光学特性。红外与拉曼光谱分析(图2d,e)证实了PANI的成功合成，其特征峰的出现标志着导电网络的形成。扫描电镜观测显示(图2f-i)，聚合后的水凝胶保持了三维互联的多孔结构，且孔壁因PANI的均匀沉积而变得粗糙，形成了三维互联的导电网络。该水凝胶的电导率在ANI含量为3 wt%时达到峰值4.08 S·m?1，且在一定范围内随温度与湿度升高略有增加，体现了其环境适应性。

图2. 黑色导电聚合物的制备和表征。

III 水凝胶的机械性能与强化机制

通过对水凝胶体系进行系统的力学测试与分析，本研究明确了其性能增强机制。在铁离子存在下，原位引发苯胺聚合后，所得的PAM-ALG-PANI水凝胶的力学性能得到显著提升。当苯胺含量为3 wt%时，材料达到最优综合性能：拉伸强度为867.1 kPa，韧性为1.94 MJ·m?3，分别较原始PAM-ALG水凝胶提升约6.7倍和2.3倍，同时压缩性能也得到显著改善。水凝胶展现出良好的变形适应性，能够承受多种复杂力学形变。能量耗散分析表明，该水凝胶在加载-卸载过程中表现出显著的滞回效应，在300%应变下能量耗散可达0.725 MJ·m?3，证实了动态网络结构的有效能量耗散能力。循环性能测试显示，经过5000次30%应变循环后，材料应力衰减率仅为12.8%，体现了良好的抗疲劳特性。通过密度泛函理论计算进一步从分子层面揭示了性能增强机理。研究证实氢键网络(结合能ΔG最高-75.6 kcal·mol?1)有助于改善界面相容性，而Fe3?与ALG羧基及PANI亚胺基形成的配位键具有更强的结合能(-424.7 kcal·mol?1)，在能量耗散中起主导作用。对比实验表明，同时具备配位键的体系其力学性能显著优于仅含氢键的体系，验证了配位交联对材料宏观性能的关键贡献。

图3. 水凝胶的机械性能表征和网络中的相互作用模拟。

IV 水凝胶的应变传感性能

为了评估水凝胶的应变传感特性，将水凝胶组装成电阻式传感器作为传感元件(图 4a)。当水凝胶被拉伸时，其传感结构会因外力作用而发生几何形变，从而引起电阻值的变化，以实现传感功能。其电阻变化与应变之间呈现分段线性关系(图4b)，在0-150%和150-300%应变区间的灵敏度因子分别达到2.99和4.24，实现了宽应变范围内的高灵敏度检测。这种分段响应的特性源于应变过程中导电网络结构的演变：在较低应变下，导电通路保持相对稳定。而在较高应变下，导电填料间的接触面积显著减小，导致电阻变化率增大。传感器对不同加载速率(图4c)、以及从微小(1%，图4d)到大幅(300%，图4e)的应变均能产生快速、一致且可重复的电信号响应。进一步地，传感器表现出卓越的长期稳定性与环境鲁棒性。在30%应变下连续进行2200次循环测试后，信号波形仍保持高度稳定(图4f)。此外，传感器在潮湿室内环境放置一周后，其电学输出性能未见明显衰减，成功完成了额外的2200次循环验证，体现了其优异的长期耐用性与环境稳定性。

图4. 水凝胶的应变传感表现。

V 双模态传感器的集成与机械致变色性能

研究发现，黑色导电水凝胶基底通过吸收非相干散射光与抑制背景反射的双重作用，能显著提升上层HPC结构色的纯度与对比度。视觉对比与光谱分析共同证实，相同的HPC图案在黑色基底上呈现鲜艳清晰的结构色，而在非黑色基底上则因光学干扰而十分暗淡。这种干扰源于非黑色基底自身固有的反射光谱，其额外的反射峰会与HPC的结构色信号发生叠加，导致光谱混杂与基线偏移，从而严重劣化色彩的呈现效果。定量评估显示，黑色基底体系的对比度指数高达4.92，远优于其他颜色基底。吸收光谱数据表明，该黑色水凝胶在整个可见光波段保持超过88%的高吸收率，为其卓越的“增色”能力提供了基础。

进一步将黑色水凝胶传感层与HPC颜色层封装集成，制成了柔性双模态传感器。该器件表现出优异的机械鲁棒性。其核心的力致变色行为源于拉伸导致HPC胆甾相螺旋结构螺距压缩，从而引起反射波长蓝移。实验观察到，随着应变从0%增至300%，传感器颜色发生从红、绿到蓝的连续、可逆演变。色度分析进一步揭示，在0-100%应变区间颜色变化最为显著，而在高应变区则趋于稳定。这一视觉变化与电阻信号形成有效互补：在颜色变化平缓的高应变区，电阻变化率反而急剧增大，从而确保了在整个测量范围内都能提供可靠的双模反馈，实现了直观引导与精确记录的协同。

 图5. 双模态传感器的集成与机械致变色特性。

VI 双模态传感器在康复监测中的应用

为评估该双模态传感器在康复监测中的实际效能，研究将其应用于模拟卒中患者肢体功能障碍的评估场景。该传感器通过同步捕获由肢体运动引发的电阻变化与结构颜色演变，构建了数字化与可视化相结合的双重反馈机制(图6a)。在手指握力训练中，随着握力增加(关节弯曲角度减小)，传感器呈现出从红经绿到蓝的连续颜色过渡(图6b)，同时电阻信号强度相应阶梯式增强(图6c)，能清晰区分不同训练阶段的动作特征。Bland-Altman分析表明，双模态传感器测量的关节角度与实际角度具有良好一致性，而单一电信号传感器则表现出显著偏差与数据波动，凸显了集成视觉反馈在提升交互实时性与判断准确性方面的关键优势。

研究进一步将传感器集成为可穿戴指套(图6d)，用于监测手指屈伸训练，其颜色在屈伸间可逆变化(图6e)，同步电信号则表现出高度一致的周期响应(图6f)。此外，传感器在踝关节背屈(图6g)与膝关节弯曲(图6h)等大关节活动度监测中也表现出良好的适应性，同步记录的颜色与电信号均能准确反映关节运动幅度。这些结果表明，该双模传感平台不仅能对多关节运动参数进行定量分析，更能通过直观的颜色映射建立实时视觉反馈，为运动功能康复的智能评估与交互训练提供了创新解决方案。

图6 双模态传感器在多关节康复训练中的应用。

VII 总结

本研究受暗冠蓝鸦羽毛中黑色素增强结构色机制的启发，成功开发了一种基于黑底增强结构色策略的双模态传感器。该传感器巧妙地将具有高光吸收能力的黑色导电水凝胶与力致变色的HPC液晶相结合，实现了应变传感与实时视觉反馈的有效集成。黑色水凝胶基底不仅解决了传统HPC结构色因背景干扰导致的色彩暗淡问题，其自身通过氢键与配位键增强的网格也具备了优异的力学与电学性能，满足了可穿戴设备对稳定性和耐久性的要求。在康复监测应用中，该传感器能同步提供直观的色彩变化引导与精确的数字信号记录，有效提升了康复训练的互动性与评估的客观性、准确性。这项工作为开发下一代集成了人机交互界面的智能可穿戴医疗设备提供了新思路。

欧清东

本文通讯作者

澳门科技大学 助理教授

▍主要研究领域

纳米光子学与光电子器件，包括二维材料、超构表面、极化激元、近场光学、光电探测、光学生物传感等。

▍主要研究成果

澳门科技大学澳门材料科学与工程研究院，助理教授。2019年获澳大利亚莫纳什大学博士学位。在 Nature, Nat. Synth., Nat. Commun., Sci. Adv., Adv. Mater., ACS Nano等学术期刊发表论文90余篇。关于二维材料光学魔角的合作研究，入选“2020年世界物理学十大突破”。主持国家自然科学基金委项目1项，澳门科学技术发展基金项目3项，广东省自然科学基金1项。曾入选澳大利亚 ARC DECRA Fellow，提名亚洲青年科学家基金项目、提名澳大利亚总理科学奖之年度物理科学家奖(全国每年仅1名获奖者)，获江苏省科学技术奖一等奖，教育部自然科学二等奖，中国政府优秀自费留学生奖，莫纳什大学校长卓越研究奖等。

▍Email：qdou@must.edu.mo

曾嵩山 

本文通讯作者

澳门科技大学 助理教授

▍主要研究领域

多尺度杂化结构的智能仿生材料，柔性光电器件和传感器，结构色，褶皱纹理，聚合物基复合材料等。

▍主要研究成果

博士生导师，独立PI，于2022年9月入职澳门科技大学创新工程学院材料科学与工程系，澳门材料科学与工程研究院，以及珠海澳科大科技研究院，被聘为助理教授。2009年和2012年分别在中山大学获学士和硕士学位，2018年在美国康涅狄格大学获得博士学位。随后分别在康涅狄克大学和香港中文大学从事博士后研究。在Chem. Rev., PNAS，Nat. Commun., Adv. Mater., Mater. Today, Adv. Funct. Mater., Mater. Hori.，Chemical Engineering Journal等期刊发表SCI论文近50篇，引用5000 余次，申请美国发明专利6项(已授权4项) 和国内专利若干，主持了澳门科学技术发展基金 (FDCT) 以及广东省科学技术厅等项目。曾获国家留学基金管理委员会颁发的“国家优秀自费留学生奖学金”(2018年度)等。

▍Email：sszeng@must.edu.mo

黄占东 

本文通讯作者

西安交通大学 特聘研究员

▍主要研究领域

微尺度流体界面构建与应用，包括微流体、气泡与泡沫、声波超材料、界面反应强化、增材制造、水凝胶器件等。

▍主要研究成果

西安交通大学化工学院特聘研究员、博士生导师。长期从事气液与液液界面结构化构建及其应用研究，通过调控界面蒸发、扩散、反应及声学振动等微观过程，推动其在化工过程强化、气泡声波超材料、水凝胶传感器等领域的创新应用。目前已在Nat. Chem. Eng.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、Adv. Mater.、Angew. Chem.等期刊以第一或通讯作者身份发表论文20余篇，获授权中国发明专利十余项。先后入选“陕西省三秦英才”、“陕西省秦创原引用创新创业人才”、“西安交通大学青年拔尖人才”、中国材料学会超材料分会“全国超材料优秀青年学者”，并荣获英国皇家化学会JMCC期刊“新锐科学家”(Emerging Investigator)称号及“Wiley中国高贡献作者奖”等多项荣誉。

▍Email：huangzhandong@xjtu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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