脑卒中、帕金森病等中枢性运动障碍常伴随不同程度的手部运动功能障碍，患者不仅表现出手指屈伸范围受限，还可能存在释放动作缓慢、运动协调性下降等问题。手指弯曲程度和主动释放能力是评价手部康复状态的重要指标。然而，现有柔性传感器大多关注运动过程中产生的压力或形变幅值，对手指释放阶段的动态恢复过程尤其是释放速度仍缺乏直接、连续的量化手段。

  针对这一问题，太原理工大学集成电路学院张虎林教授团队在《Nano Letters》发表重要研究成果。研究团队开发了一种具有弛豫离子压电效应（Relaxation Piezoionic Effect）的PVA-NaCl水凝胶，通过机械训练构建定向聚合物网络，实现了在一次手指屈曲—伸展过程中对屈曲程度和释放动态的自供能、自解耦监测（图1）。

图1. 弛豫离子压电水凝胶的设计原理及手部康复监测系统

  这一经过机械训练后的水凝胶兼具良好的柔韧性和环境稳定性，拉伸应变约为450%，响应时间约为100 ms，离子压电系数达到0.04 mV kPa^-1。通过聚氨酯薄膜封装后，水凝胶在不同温度条件下储存7天仍能保持90%以上的初始质量，为可穿戴康复监测提供了稳定的材料基础（图2）。

图2. 弛豫离子压电水凝胶的综合性能表征

  与传统离子压电传感主要利用加载阶段正向信号不同，该工作进一步挖掘了卸载过程中通常被视为信号衰减或基线恢复的反向电压信息，并将其用于表征形变恢复速度。研究团队通过100次循环机械训练，使原本无序的PVA聚合物链沿拉伸方向发生定向排列，形成稳定的各向异性离子传输通道。受到压力时，Na⁺和Cl^-迁移速率不同，产生超过20 mV的正向离子压电电压；压力释放后，水凝胶发生弹性恢复，离子沿取向通道反向迁移并产生非平衡弛豫，从而形成超过18 mV的反向弛豫离子压电电压。实验进一步发现，该反向电压对卸载速度高度敏感：卸载越快，反向电压峰越明显；随着卸载时间由1 s增加至20 s，反向电压可由约18 mV下降至0.2 mV。多物理场模拟进一步揭示了压力梯度反转、液相回流及阴阳离子非同步迁移共同作用下的反向电势形成机制（图3）。

图3. 弛豫离子压电效应的形成机制及速度响应规律

  进一步地，团队将弛豫离子压电水凝胶集成到手部康复训练平台中。正向离子压电信号用于表征手指屈曲和受力状态，反向弛豫信号则用于反映手指释放速度，使单个传感单元能够在一次运动周期内同步获取不同阶段的运动信息。结合多通道信号采集和可视化系统，可实时显示不同手指的运动状态，并对手指活动范围和释放控制能力进行量化分析，为手部康复训练和运动功能恢复的客观评估提供了新的技术路径（图4）。

图4. 基于弛豫离子压电效应的手部康复训练监测与评价系统

  该工作将离子压电传感从传统的“加载感知”拓展到“加载—卸载全过程感知”，使过去容易被忽略的弛豫信号成为反映运动恢复动力学的重要信息来源，为柔性电子在康复监测、运动分析、人机交互和个性化医疗等领域的应用提供了新的设计思路。该工作以 “Relaxation Piezoionic Hydrogel for Self-Powered, Self-Decoupled Monitoring of Finger Rehabilitation” 为题发表在《Nano Letters》上。太原理工大学硕士生姚育秀为第一作者，张虎林教授与中北大学白晨辉博士、山西师范大学崔小静副教授为共同通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金和山西省科技合作交流专项支持。

  原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c03647