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  近年來，人工智能、大數據及擴展現實技術的快速發展，正推動人機交互（HMI）向全域沉浸式場景演進。水凝膠材料具有類生物組織特性、高生物相容性及刺激響應性，成為柔性HMI界面的理想載體。傳統多功能水凝膠傳感器面臨兩大挑戰：長期使用易因脫水失效，且功能化改造常以犧牲可回收性為代價，加劇了電子廢棄物污染。因此，開發兼具高精度感知、環境穩定性及全生命周期可循環的生態友好型水凝膠傳感器，對構建碳中和目標下的可持續HMI技術體系具有關鍵意義。

  近日，鄭州大學申長雨院士、劉春太教授團隊與北京航空航天大學潘曹峰教授合作，成功研制出一種基于仿生學設計的全回收型多功能聚乙烯醇（PVA）基可逆物理交聯智能水凝膠傳感器（RMSHS）。該研究受自然界"復蘇植物"極端環境適應機制的啟發，通過引入可逆分子間作用力和動態共價鍵，實現了醫療康復與智能人機交互（HMI）領域的創新應用。

  如圖1所示，RMSHS展現出優異的抗菌性能（對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑制率達99.8%）和生物相容性，可直接作為柔性電子皮膚應用于康復訓練場景。研究團隊結合無線傳輸技術和Python編程，基于RMSHS實現了無人機的遠程實時控制。體系的可回收設計使失效的水凝膠可通過簡單步驟“復活”，可實現環保特性，可為智能穿戴設備領域提供可持續發展的范式。

圖1. 可回收多功能水凝膠傳感器的多場景人機交互應用

圖2. 可回收多功能傳感器的抗菌、生物相容性表征及機理

  如圖2所示，研究團隊研究了RMSHS的雙重抗菌機制：基于氮摻雜碳量子點（N-CQDs）與季銨化殼聚糖（QCS）的靜電富集效應，構建了"陽離子靶向-基因級聯破壞"協同抑菌體系；RMSHS對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的協同殺菌率均超過99.8%，其抗菌機制源于QCS的陽離子結構與N-CQDs的基因破壞作用。體系可有效降低人體表皮細胞代謝產生的如汗液等廢物在傳感器處聚集導致的細菌滋生問題。此外，細胞實驗證實，RMSHS對GES-1細胞無毒性，表現出優異的生物相容性。

圖3. RMSHS的可回收性能及機制

  如圖3所示，失效的RMSHS可通過干燥后加水加熱再生的方式回收，實現類似苔蘚類植物那樣的“復活”效果。原位紅外光譜（VT-FTIR）和二維相關光譜（2Dcos）分析表明，加熱過程中氫鍵斷裂，硼酸酯鍵形成，體系實現了分子間作用力的動態平衡。文章闡釋了凝膠基傳感器在回收過程中分子間作用力變化以及動態的轉變順序。

圖4. 可回收多功能傳感器的應變傳感機理及其人體運動監測中的應用

  如圖4，RMSHS具有低檢測限（1%應變）、快速響應/恢復時間（160/200 ms）和優異的傳感穩定性。其電阻變化與應變呈線性關系，且不受拉伸速度影響。自修復后的RMSHS仍能保持穩定的傳感性能，可用于運動監測（如羽毛球揮拍動作分析）。RMSHS與機器人結合構建了智能康復系統，可實時監測患者手指彎曲角度，并通過Python算法識別不同手勢。體系可為醫生獲取遠程訓練數據并提供診斷建議，減輕醫療負擔（圖5）。

圖5. 基于可回收多功能傳感器的智能康復系統的應用

圖6. 可回收多功能傳感器在遠程操控中的應用

  得益于傳感器優異的穩定性，借助單通道多閾值設定，RMSHS基于三通道系統實現了對三自由度無人機的控制。例如，食指彎曲控制無人機水平旋轉，中指和無名指控制垂直升降。該系統可擴展至其他遠程控制平臺，為智慧城市建設提供支持（圖6）。

  相關成果以“Eco-friendly Multifunctional Hydrogel Sensors Enabled Sustainable and Accurate Human-Machine Interaction System”為題發表在《Advanced Materials》上。鄭州大學為第一作者單位，碩士研究生趙彥龍為論文第一作者，鄭州大學翟威副教授、代坤教授和北京航空航天大學潘曹峰教授為共同通訊作者。

  全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202507127