AFM：用于神经肌肉疾病管理的超柔性可拉伸永磁弹性体无线矢量运动监测系统

第一作者：张淇

通讯作者：刘明，张晓慧

DOI：10.1002/adfm.75245

背景介绍

人体运动监测在疾病早期筛查、康复评估、人机交互和智能机器人等领域具有重要意义。特别是在医学场景中，越来越多研究表明，运动模式与神经退行性疾病及肌肉骨骼疾病密切相关。例如，帕金森病常表现为震颤、运动迟缓和步态异常；而上肢肌肉骨骼疾病则常伴随重复性、异常性或多方向运动失衡。因此，对运动频率、幅度和方向进行连续、实时、无创监测，是实现相关疾病早期识别与长期管理的重要前提。

目前，常见的可穿戴运动传感器多基于压力、电阻或电容变化来表征形变，虽然能够较好地获取运动幅度信息，但通常难以同时解析运动方向；同时，这类系统常依赖导线、刚性电路、外部电源或复杂算法，限制了长期佩戴舒适性和实际应用的便捷性。磁敏传感由于具备无线、无源和矢量场读取等优势，被认为是极具潜力的技术路线。然而，磁敏材料长期面临一个核心瓶颈：为了获得足够高且稳定的剩磁，往往需要高比例刚性磁性颗粒填充，从而导致材料变硬、拉伸性下降、循环能耗增加；而柔软顺应的软材料又通常难以维持稳定高剩磁。这一“柔软性—剩磁”矛盾，制约了磁敏传感在大形变、贴肤式运动监测中的进一步应用。

针对这一问题，作者团队设计了一种水凝胶基永磁弹性体（hydrogel-based permanent magnetic elastomer, HPME），通过Nd3?/Fe3?配位和双网络交联策略，在保持类皮肤柔软力学性能的同时，实现了稳定高剩磁和优异环境稳定性，进而构建出一种可用于无线、无源、矢量化人体运动监测的新型材料平台。该系统能够将人体运动转化为三维磁场特征信号，并结合小型化三轴磁传感模块，实现对手部震颤、步态变化和颈椎多方向运动的实时识别，为神经肌肉疾病早期诊断和居家康复提供了新的技术路径。相关内容“Ultra-Soft and Stretchable Permanent Magnetic Elastomer Enables Wireless Vectorial Motion Monitoring Toward Neuromuscular Disorder Management”为题，发表在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊上。

本文亮点

1. 提出一种兼具类皮肤柔软性与稳定高剩磁的水凝胶基永磁弹性体平台。

构建双交联网络，实现了柔软力学性能与磁学性能的兼顾。所得HPME具有约9.86 kPa的低杨氏模量、超过700%的拉伸率、约62.5 emu g?1的稳定剩磁以及优异的生物相容性和环境稳定性，从材料层面突破了磁敏传感长期面临的“柔软性—剩磁”矛盾。

2. 构建无线、无源、可解析方向的人体运动监测系统。

HPME在受振动、弯曲和扭转时可产生具有方向特征的三维磁场信号，通过外部三轴磁传感器非接触读取，实现对运动幅度与方向的同步识别。不同于传统依赖刚性电子器件或复杂机器学习算法的系统，该平台以软材料本体作为核心功能单元，为大形变部位的无线矢量运动监测提供了简洁有效的新方案。

3. 实现面向神经肌肉疾病管理的多场景验证。

作者将该系统应用于帕金森样震颤、步态异常以及颈椎四方向运动监测。结果表明，HPME能够稳定捕捉震颤频率和步态节律变化，并对颈椎前屈、后伸、左扭和右扭产生可分辨的矢量磁响应；结合无线蓝牙模块与手机界面，还可实现长期姿势监测与异常提醒，展现出居家监测和康复管理的应用潜力。 

图文解析

Figure 1. 基于HPME的人体运动传感器的设计与工作原理。（A）HPME用于无线、无源运动感知的工作原理示意图。（B）接收模块及运动监测软件用户界面示例。（C）HPME结构示意图，展示水凝胶内部的聚合物网络结构。（D）功能层中的分子交联示意图，突出双网络中的Nd3?/Fe3?配位作用。（E）拉伸性和弹性恢复性能展示。（F）不同柔性磁性材料在拉伸性、杨氏模量、剩余磁化强度、生物相容性和可编程磁性方面的性能比较。

Figure 2. HPME的表征。（A）不同阿拉伯胶（GA）含量弹性体基底的应力–应变曲线。（B）弹性体基底的杨氏模量和韧性。（C）不同NdFeB负载量HPME的应力–应变曲线。（D）不同交联方式制备的弹性体的拉曼光谱。（E）HPME的杨氏模量和韧性随NdFeB负载量的变化。（F）不同NdFeB负载量HPME的循环拉伸应力–应变曲线。（G）不同负载量下、具有定向颗粒排列的HPME的磁滞回线。（H，I）HPME经平行磁化（H）和正弦磁化（I）后的表面磁场分布。（J）培养于HPME和培养皿对照上的肌细胞Live/Dead染色结果。（K）HPME在不同基底材料上的粘附性能。（L）LiCl增强空气稳定性的作用（比例尺，1 cm）：HPME在环境条件下放置10天后的照片。（M）LiCl对不同NdFeB负载量HPME保水性能的影响。

Figure 3. HPME作为振动传感器和应变传感器的性能。（A）HPME振动传感器示意图。（B）不同NdFeB负载量HPME中心面外磁场的衰减。（C，D）对受控振动幅值（C）和频率（D）的响应。（E）粘附HPME传感器的钢悬臂梁阻尼振动示意图。（F）对阻尼振动的实时磁场响应。（G）传感器信号的快速傅里叶变换（FFT），显示主导振动频率。（H）弯曲应变感知示意图（相对于霍尔传感器的z轴）及其模拟磁场分布。（I）弯曲应变下测得的磁场。（J）扭转应变感知示意图（绕y轴）及其模拟磁场分布。（K）扭转应变下测得的磁场。

Figure 4. 利用HPME监测早期帕金森样症状。（A）采用HPME贴片进行手部震颤监测的示意图。（B）模拟重度/轻度帕金森样震颤与健康对照的实时磁信号。（C）突出显示主导震颤频率的频谱图。（D）模拟帕金森病与健康对照前臂运动的实时监测。（E）书写过程中震颤监测示意图。（F）代表性书写样本：正常与模拟震颤。（G，H）健康个体书写诱导的实时磁场（G）及对应的FFT分析（H）。（I，J）模拟帕金森样震颤个体书写诱导的磁场（I）及FFT分析（J）。（K）模拟帕金森病与健康对照的实时步态监测。（L）步态信号的FFT分析。（M）模拟患者与健康对照步态监测中的步频和步幅。

Figure 5. HPME的矢量运动监测。（A）在上臂放置两个HPME贴片以追踪前后摆臂的概念示意图。（B）连续摆臂过程中的实时三轴磁场。（C）单次摆臂的特征性三轴信号，突出方向相关特征。（D）四个方向的颈部运动监测（每个方向重复10次）：上方示意图表示各运动对应的相对磁场方向；插图展示各单一方向的代表性信号。（E）日常伏案工作过程中记录到的实时颈部运动信号。（F）手机界面显示运动次数、长时间不对称姿势警报以及久坐预警。

总结与展望

该工作提出了一种面向神经肌肉疾病管理的超柔性可拉伸永磁弹性体无线矢量运动监测平台。通过材料设计，作者在同一体系内实现了类皮肤柔软性、超高拉伸性和稳定高剩磁的统一，使磁敏传感真正具备了在贴肤、大形变和日常动态场景中应用的基础。进一步结合模块化磁传感读出与移动端分析界面，该系统实现了从材料创新到应用验证的完整闭环。未来，随着读出模块进一步小型化、检测距离进一步提升以及多贴片协同与智能算法分析的加入，这类基于永磁弹性体的无线无源监测系统有望拓展到更广泛的人体运动健康评估、康复反馈和慢病长期管理场景，推动柔性磁敏材料在智能医疗与可穿戴健康监测中的深入应用。

作者介绍

张淇，甘肃中医药大学医学信息工程学院副教授。西安交通大学博士、博士后，历任西安交通大学电子学院助理教授。近年来主要从事智能医学诊疗、可穿戴/可植入健康监测、柔性磁敏传感器等方向研究，目前已发表SCI论文16篇，一作论文8篇（影响因子10以上5篇），被引用300余次，h因子10。研究成果被中国科学院院士尹周平教授、中国工程院院士王双飞教授、美国国家发明家学院和国家工程院院士David Kaplan教授等引用并高度评价。主持国家自然科学基金青年基金、中国博士后面上基金，参与国家重点研发计划2项、国家自然科学基金2项。

刘明，西安交通大学电子学院院长，国家人才计划特聘教授，电子科学与工程学院腾飞特聘教授，陕西省“百人计划”，陕西省科技创新团队（带头人），陕西省高校青年创新团队（带头人）。主研究方向包括自旋信息存储材料与集成电路、电量传感芯片与信号调理电路、功能氧化物柔性电子材料与器件、磁性与半导体材料及器件等领域。以第一/通讯作者在Science, Adv.Mater., Nat. Commun.等国际知名期刊发表论文140余篇，主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金重点、重大预研等国家级项目10余项。

张晓慧，国家级青年人才，西安交通大学青年拔尖人才A类，美国塔夫茨大学生物技术博士，美国哈佛大学-麻省理工学院健康科学技术中心博士后。长期致力于柔性传感与健康检测、生物功能材料与组织修复研究。主持国家重点研发计划子课题2项、国家自然科学基金委项目2项、青年千人项目1项，省部级项目2项、横向课题2项；获陕西省高等学校科学技术一等奖2项，中华全国归国华侨联合会中国侨界贡献（创新团队）奖1项。在 Adv Funct Mater, ACS Nano等国际知名学术期刊发表SCI论文70 余篇（IF>10论文10篇），被引6700余次，H因子35。

文章来源：作者团队供稿