可穿戴生物电子最新突破！Nature Sensors，源运动伪影抑制与动态生理监测

一、研究背景

可穿戴生物电子技术为日常连续健康监测、慢病管理与疲劳状态评估提供了重要支撑，然而在真实运动场景中，由肢体活动、肌肉收缩、体表形变及环境扰动所产生的多源、宽频、强耦合运动伪影，会严重降低心电、脑电、血流动力学、心音与呼吸音等生理信号的保真度与测量可靠性，成为制约可穿戴设备走向实用化与临床化的核心瓶颈。当前主流的伪影抑制策略主要依赖材料改性、器件结构设计或后端算法校正，大多仅能针对单一类型干扰或固定频段噪声进行处理，难以覆盖人体运动与生理干扰的复杂频谱特征，缺乏可灵活编程、跨模态兼容的一体化解决方案。与此同时，慢性疲劳、认知过载等健康问题日益普遍，亟需在动态条件下稳定获取高质量生理信号以实现客观、连续、精准的状态评估，但现有传感界面难以在强运动干扰下同时满足机械阻尼、生物电滤波、皮肤适配性与长期佩戴稳定性的要求。因此，开发一种能够同步抑制机械伪影与生物电伪影、频率可定制、界面柔顺且适用于多模态生理信号的新型智能传感界面，对于推动下一代高鲁棒、高保真、运动耐受型可穿戴生物电子的发展具有重要理论价值与现实意义。

二、研究亮点

1. 首次在单一水凝胶界面实现机械伪影+生物电伪影同时抑制，突破传统材料单一功能限制。

2. 超结构与离子传输均可按需调谐滤波频段，适配不同生理信号。

3. 局部共振机制打破软材料“柔顺性–阻尼”矛盾，模量贴近生物组织，贴附性与阻尼能力双优。

4. 动态血压误差<0.4 mmHg，满足ISO 81060?2与IEEE可穿戴设备标准。

三、研究内容

图1｜MAP平台与疲劳监测框架

- a：疲劳引发安全事故、经济损失、健康问题，突出需求紧迫性。

- b：超拓扑水凝胶采集心电+血流动力学信号，经神经网络实现疲劳评估。

- c：左—机械伪影被局部共振耗散；右—生物电伪影被频率选择性离子传输滤除。

研发超拓扑水凝胶（meta?topological hydrogel），集成声子超结构机械滤波与拓扑可调离子传输两大功能。

图2｜超结构机械伪影抑制

- a：过饱和沉淀与周期性图案生长机理。

- b/c：CuCrO?纳米颗粒周期条带；印章法可大面积制备。

- d：仿真证明周期结构阻断机械波传播。

- e：Ashby图显示本工作损耗因子/模量乘积远超传统阻尼材料。

- f：阻尼频率可通过结构因子精准调控。

- g：抗三维干扰能力显著优于PDMS。

- h：四象限图验证血压一致性从~52%提升至~90%。

双重伪影抑制机制

    - 机械伪影抑制：水凝胶内周期性纳米颗粒沉淀结构（Liesegang 图案）形成声子带隙，选择性耗散人体运动频段机械波，不衰减生理压力信号。

    - 生物电伪影抑制：通过甘油?水溶剂调控离子溶剂化结构，实现频率选择性离子迁移，保留心电（0.1–30 Hz）、滤除肌电高频干扰（>30 Hz）。

图3｜溶剂化工程实现选择性生物电滤波

- a：ECG能量集中<30 Hz，EMG集中>30 Hz，为选择性滤波提供依据。

- b：分子动力学证明甘油降低离子均方位移（MSD），减慢弛豫。

- c：甘油含量调控离子响应窗口，匹配ECG频段。

- d：动态下界面阻抗稳定性优于商用Ag/AgCl。

- e/f：运动状态下MAP信噪比从3.33 dB提升至15.72 dB。

图4｜动态环境心血管信号监测

- a：动态下MAP使血压数据更集中、波动更小。

- b：Bland–Altman验证心率测量高度一致。

- c：递归图显示MAP信号更稳定、周期性更强。

- d：自编码器去噪流程，保留生理流形。

- e：材料+算法协同使ECG信噪比达37.36 dB。

- f：频谱显示高频EMG被显著抑制。

- g/h：血压误差大幅降低，达ISO A级临床精度。

搭建自编码器去噪算法，进一步去除残余非结构化噪声，保留关键生理特征。制备柔性可穿戴MAP（Metahydrogel Artefact?mitigating Platform），同步采集心电（ECG）、血压（BP）、脉搏信号。

图5｜日常动态疲劳评估

- a：可穿戴MAP系统实物图，无线传输至手机。

- b：MAP信号变异系数远低于商用传感器。

- c：疲劳状态HRV显著降低。

- d：3天连续多模态生理监测，反映疲劳趋势。

- e：SHAP分析证明特征生理可解释。

- f：疲劳评估R2=0.91。

- g：ROC曲线AUC=0.93，远高于无MAP组（0.64）。

- h：t?SNE清晰聚类7级疲劳状态。

    - 动态场景下实现ISO A级血压精度、ECG信噪比达37.36 dB。

    - 基于多模态生理信号做疲劳状态深度学习分类，准确率92.04%。

    - 拓展应用：心音、呼吸音、语音、脑电、眼电等多模态伪影抑制。

四、总结与展望

本研究成功开发出一种兼具声子超结构机械滤波与拓扑可调离子传输双重功能的超拓扑水凝胶，并构建了面向动态生理监测的伪影抑制集成平台（MAP），通过材料本征阻尼、频率选择性离子传输与自编码器去噪算法的协同作用，实现了机械运动伪影与肌电等生物电伪影的多源、宽频、可编程抑制，有效解决了可穿戴生物电子在运动场景下信号失真的关键难题。该平台在动态条件下取得了ISO 81060?2标准A级血压测量精度，心电信号信噪比高达37.36 dB，并基于高保真多模态生理信号实现了92.04%的疲劳状态深度学习分类精度，同时可拓展应用于心音、呼吸音、语音、脑电、眼电等多种生物信号监测，展现出优异的普适性与运动鲁棒性。未来，可进一步优化超拓扑水凝胶的力学性能、界面黏附性与长期稳定性，推动器件向超薄、柔性、可拉伸、可降解方向发展；结合边缘计算与端侧AI实现实时去噪、特征提取与健康预警，提升系统的智能化与便携性；开展更大规模、多人群、长周期的临床验证，将该技术从疲劳监测拓展至心血管疾病筛查、睡眠监测、术后康复、精神状态评估等更多场景，最终推动这一材料—结构—算法一体化的伪影抑制范式走向实际产品化与临床转化，为下一代高可靠、高保真、运动耐受型可穿戴健康医疗电子提供全新的技术路径与材料平台。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s44460-026-00055-x

往期推荐

AFM: 明胶基自烧结全生物质离子凝胶粘结剂助力可修复、可回收、可持续印刷柔性巨磁阻磁传感器

穿在身上的 5G！自愈合液态金属织物，抗弯折还能稳传高清信号

Nature Photonics！从可见到红外！这款量子点高光谱传感器，让 “看不见的物质” 现形

柔性电子N不断！又一Nature新突破！

视频号：##柔性电子那些事