科技日报记者 韩荣
3月23日，记者从太原理工大学获悉，该校张虎林教授团队近期成功开发出一种可解耦多模态感知的自供电水凝胶电子皮肤，为柔性可穿戴设备、人机交互及智能医疗领域的发展提供了全新技术方案，相关研究成果已正式发表于国际期刊《自然·通讯》。
当前，人机融合技术正迅猛发展，具备多模态传感与闭环交互能力的可穿戴电子接口，已成为智能设备发展的关键使能技术。而柔性传感器作为这类接口的核心组件，其性能优劣直接决定了具身智能的发展水平与人机交互的体验质量，相关技术突破已成为行业关注的焦点。
张虎林介绍，如今智能手表等可穿戴监测设备已走进大众日常生活，但这类设备普遍存在明显局限。大多只能监测单一生理信号，且需频繁充电，难以满足人们对“全方位、无负担”智能穿戴的实际需求。尤其在人机融合核心领域，比如智能假肢适配、机器人精准交互等场景，更迫切需要一种类似人类皮肤的“柔性接口”，既能同步感知温度、压力、生理指标等多类信号，又无需依赖外接电源，实现便捷、长效的交互与监测。
“传统多模态传感器大多依赖刚性材料、离散式组件，且必须外接电源才能工作，不仅穿戴舒适度差，还难以适配复杂的人体活动与实际应用场景，严重制约了其产业化落地。”张虎林进一步补充道，这一行业痛点正是团队开展此次研究的核心出发点。
针对上述难题，张虎林教授团队经过持续攻关，提出了一种单组分聚乙烯醇（PVA）水凝胶电子皮肤解决方案。该水凝胶巧妙整合了热电、压电离子和扩散三种传感机制，可同步实现对人体皮肤温度、动脉搏动及汗液分泌的自供电监测，从根本上摆脱了对外部电源的依赖。同时，这款水凝胶具备高拉伸性与低模量的优异特性，其独特的棱柱状结构，还能有效协同增强离子极化效应，进一步提升传感灵敏度。
“简单来说，我们实现了‘一块凝胶，多种感知’的技术突破，其设计灵感源自人类自身的皮肤。”论文第一作者、太原理工大学博士生白晨辉解释道，人类皮肤能通过不同类型的神经末梢，分别精准感知温度、压力和外界刺激，团队便以此为原型，在单一聚乙烯醇（PVA）水凝胶中，集成了三种核心传感“本领”。一是利用热伏效应感知皮肤温度，如同皮肤的“温度感受器”；二是借助离子压电效应捕捉动脉搏动，堪比皮肤的“压力感知点”；三是通过扩散效应识别汗液中的电解质变化，宛如皮肤的“生理监测器”。而自供电特性的实现，彻底解决了传统设备频繁充电的痛点，让长期穿戴与持续监测成为可能。
不过，将多种感知功能集成在一块凝胶中，不可避免地会出现“信号打架”的问题。白晨辉解释，温度、压力等不同类型的信号相互干扰，导致数据无法精准解读，这也是多模态传感领域的核心技术难点。
为破解这一困境，团队针对性地开展了双重优化设计。在结构上，采用棱柱状设计，如同给凝胶加装了“聚能尖”，能让外部压力向尖端集中，有效增强信号响应强度，让感知更灵敏、更精准；在材料上，通过特殊的溶剂替代工艺，让水凝胶兼具柔软度与韧性，拉伸幅度可超过自身8倍，触感贴合人体皮肤，即便长时间穿戴也不会产生不适感。
除了结构与材料的优化，信号解读技术的突破同样关键。研究团队创新应用了一种具有局部注意力机制的时序机器学习模型，该模型如同“智能翻译官”，能够精准区分不同类型的传感信号，实现多模态信号的无干扰解读，大幅提升了监测数据的可靠性。
“该电子皮肤接口利用长短期记忆网络和卷积神经网络相结合的机器学习算法进行信号处理，不仅能对复杂刺激进行高精度分类和识别，还能对手势做出高可靠性响应，并再现来自机器人手指的触觉反馈。”张虎林表示，这款自供电水凝胶电子皮肤，为复杂人机系统中的实时多刺激交互提供了一套极具前景的全方位解决方案，尤其在智能假肢适配、软体机器人研发、沉浸式虚拟界面搭建等领域，具有广阔的潜在应用价值，将为相关领域的技术升级注入新动能。
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