柔性传感器在可穿戴设备、人机交互、医疗监测及运动康复等新兴战略领域展现出巨大潜力。它们可灵活配置于人体各部位，对各类生理与运动参数进行数字化，实现“实-虚”世界的交互。然而，如何使其在小尺寸下兼具对微弱生理信号与关节大拉伸的高敏探测性能，如何实现多体征或多关节运动参数分布式动态感知，以及如何在复杂的使用环境下保持稳定的信号输出，这些仍是柔性可穿戴亟待攻克的难题。

  近日，武汉理工大学周祖德教授团队的李天梁教授课题组受圆叶母草（Lindernia Nummularifolia, LN）外形启发，开发了一种以Ecoflex 0030为柔性基底，LN形弯曲光纤为中间层的仿生光纤应变（BSOS）传感器。这种“三明治”结构BSOS传感器制备工艺简单，具有优异的可拉伸性、柔性、透明性以及防水性（图1）。

图1. BSOS传感器的结构模型。（a）BSOS传感器的设计灵感及“三明治”结构；（b）透明性、柔性、可拉伸性；（c）尺寸、重量和防水性。

  BSOS传感器利用光纤光栅窄带滤波原理，在LN形光纤的两端各配置有一段光纤光栅（FBG）。融合所提出的光纤光栅波长-光强混合编码方法，构建了具有温度自补偿的双光纤光栅光强差分应变传感模型，实现了对人体微小应变与大应变的混合测量。BSOS传感器传感区域的拉伸率高达80%，突破了石英光纤延展性不足（<1%）的瓶颈难题，满足人体关节弯曲引发的皮肤大应变的监测需求（大于30%）。由于BSOS传感器采用小型化的皮肤贴片式设计，其尺寸仅有硬币大小，最大应变灵敏度高达1.387 dB/mm，可实现对0~90°内弯曲角的探测。此外，它在高达20000次连续动态拉伸下仍能稳定输出，兼具出色的动态特性。这些优异性能使其可用于包括眼部和喉部的微小肌肉活动及关节大幅度弯曲运动等在内的人体各类运动参数检测（图2）。

  与此同时，还开发了多个基于BSOS传感器的人机交互界面，包括面向关节和肌肉损伤患者的沉浸式康复训练系统、基于指关节和咬肌活动的病患免提通讯系统、以及远程机器人辅助堆叠游戏等（图3），以期为医疗保健及运动康复领域提供创新性的人机交互解决方案。

  该研究成果以“Bioinspired Stretchable Fiber-Based Sensor toward Intelligent Human?Machine Interactions”为题，发表于ACS Applied Materials & Interfaces（DOI：10.1021/acsami.2c05823），武汉理工大学系论文唯一完成单位，李天梁教授，研究生苏轶飞，孟伟副教授、艾青松教授、刘泉教授、谭跃刚教授和周祖德教授等为共同作者，该研究得到了国家自然科学基金的支持。

  原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c05823