生物基双通道柔性传感材料 探索湿度与人体动作协同感知

2026年8月，北京信息职业技术学院产业互联网学院灵纤智感科技创新实践队围绕生物基双通道柔性传感材料开展科技创新实践。团队以湿度与机械形变的信号区分为切入点，探索将生物基材料、分层结构与数据分析相结合，为可穿戴动作监测、呼吸湿度感知和电子皮肤应用提供材料研究思路。

一片柔性薄膜，如何同时感知水汽变化和人体动作？在实际使用中，贴附于手指、腕部或口罩表面的传感贴片，往往会同时受到弯曲、拉伸和水汽的影响。材料电信号发生变化时，如果不能区分变化来源，就可能将湿度波动误判为动作，或让动作影响湿度读数。项目由此将“感知多种刺激”与“分清不同信号”作为相互关联的研究问题。

材料采用多孔离子湿度敏感层、梯度过渡层和电子形变敏感层组成的三层复合结构。上层主要响应环境湿度和呼吸水汽，下层主要响应拉伸、弯曲等机械形变，中间层则连接两类敏感材料，并调节层间应力与水分扩散。通过在材料内部进行功能分区，项目为两类信号的独立采集创造条件。

这种设计的关键，在于让离子和电子分别承担不同的感知任务。湿度变化影响离子的迁移过程，机械形变改变电子导电网络，两种作用对应不同的电学特征。团队再将材料结构与信号处理相结合，探索在水汽和动作同时存在时，分别获得湿度与形变信息。

图1 三层复合材料结构与双通道感知原理示意

在湿度敏感层中，纤维素纳米纤维与海藻酸钠共同构建亲水多孔网络，氯化胆碱与甘油组成的低挥发深共晶体系用于提供离子传输和保湿作用。水汽进入材料后，水分吸附和离子迁移状态随之变化，使阻抗、电容等电学特征产生响应；水分逐步脱附后，相关信号向初始状态恢复。这一过程将难以直接观察的湿度变化转化为可以采集的电信号。

形变敏感层采用不同的工作机制。水性聚氨酯提供柔性基体，纤维素纳米纤维承担网络支撑和应力传递作用，导电聚合物PEDOT:PSS与导电炭黑共同构建导电网络。当薄膜受到拉伸或弯曲时，导电通路形态、炭黑颗粒间的接触状态和距离发生变化，带来电阻变化。外力解除后，柔性基体与纤维骨架帮助网络恢复，使材料具备反复感知动作的结构基础。

图2 离子湿度敏感层样品（左）与复合形变敏感层样品（右）

两类敏感层之间的连接同样影响材料表现。项目设置由纤维素纳米纤维、单宁酸和水性聚合物构成的梯度过渡层，用于缓冲反复弯曲、拉伸产生的层间应力，并调节水分扩散路径。同时，对形变层、电极连接区和贴片背面进行局部封装，保留湿度窗口开放，使水汽优先作用于湿度敏感区域，减少对形变通道的干扰。

生物基组分的引入，是项目材料设计的另一特点。纤维素纳米纤维和海藻酸钠既参与构建材料结构，也直接服务于湿度响应、应力传递等功能。结合水相涂膜复合工艺，项目探索提高生物基组分在柔性传感材料中的应用比例，减少部分不可再生原料和高挥发溶剂的使用，在材料来源、制备方式与传感功能之间寻求平衡。

在材料分层的基础上，研究方案进一步引入独立电学采集与算法校正。湿度通道读取阻抗、电容和相位角等特征，形变通道读取电阻变化，两路数据经过时间对齐、基线校正和特征提取后，再通过回归模型等方法分别估计湿度与应变。所谓“解耦”，就是尽可能将混合响应中的不同影响区分开，使两类信息能够分别表达。

材料研发也需要在实验中不断比较和调整。计划书围绕生物基组分比例、深共晶溶剂含量、导电组分配比、薄膜厚度和层间复合条件设置研究任务，将材料制备、结构表征、电学测试与数据分析相衔接。不同方案的评价不仅关注单次响应，还关注恢复能力、重复性、界面结合和湿度干扰，探索适合器件集成的材料组合。

在应用端，项目围绕手指弯曲、腕部动作、呼吸湿度和非接触湿气感知设置原型演示场景。柔性贴片与信号采集模块、微控制器及可视化界面连接后，可将材料响应呈现为可观察的曲线。手指和腕部场景关注动作引起的信号变化，呼吸场景关注水汽的周期变化，同步刺激场景则用于检验两类信息能否被有效区分。

图3 手指弯曲、腕部动作与呼吸湿度应用演示

从材料设计到原型应用，这项实践将柔性材料、传感电路和数据分析串联起来，为团队开展跨环节协作提供了具体载体。按照研发计划，后续工作将围绕长期储存稳定性、批次一致性、柔性电极耐久性和不同佩戴条件下的模型适应性继续开展，推进材料从实验室研究向小试制备和实际场景验证发展，为可穿戴监测与智能人机交互积累技术经验。

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