近日，澳门科技大学材料科学与工程系首届硕士研究生孙志远，在欧清东助理教授与曾嵩山助理教授的联合指导下，在柔性康复监测传感领域取得重要进展。该团队借鉴暗冠蓝鸦羽毛结构色机制，研发出具有光学和电学反馈的双模式传感器，实现应变传感与力致变色双重功能，为康复监测提供了精准可视化的新方案。相关成果近日以“Dual-Mode Sensor with Saturated Mechanochromic Structural Color Enhanced by Black Conductive Hydrogel for Interactive Rehabilitation Monitoring”为题发表于高影响力学术期刊《Nano-Micro Letters》（影响因子 36.3）。
传统康复训练监测存在显著技术瓶颈：评估依赖医护人员的主观判断，缺乏精准量化数据支撑。现有电子监测设备多为刚性结构，与人体皮肤机械失配，难以满足长期连续监测需求。此外，多数传感器仅靠单模态电信号反馈，需专业设备解读，无法为训练者提供即时直观的动作指导。为解决这一反馈缺失问题，具有力致变色特性的结构色材料被广泛探索，其中羟丙基纤维素（HPC）因具有优异生物相容性与外力响应变色能力成为优选，但该材料无内在吸光组分，光学信号易受背景光、杂散光干扰，导致结构色对比度低、辨识度差，难以实现有效即时视觉引导。
针对以上关键问题，该研究团队创新性地借鉴暗冠蓝鸦羽毛的结构色机制，首次提出利用黑色导电水凝胶增强结构色的策略，成功开发出了兼具高结构色饱和度和电信号响应的柔性双模式传感器。暗冠蓝鸦的钴蓝色羽毛并非来自色素，而是典型的结构色，其底层黑色素能高效吸收杂散光，让特定结构反射的颜色更纯净鲜明。团队精准模仿这一原理，设计了由两层核心功能结构组成的传感器（图 1）。上层是以 HPC 为基材的结构色层，可透过布拉格反射产生结构色，并随机械形变呈现可逆颜色变化。下层是团队开发的柔性黑色导电水凝胶（CPH），不仅具备超强吸光能力，还拥有优异的应变传感性能，两层结构紧密配合，共同实现传感器的双模式功能。
图 1. 双模式传感器的设计与应用示意图
这一仿生结构设计的优势极为突出：与非黑色基底上 HPC 弱的结构色相比，下层黑色水凝胶可高效吸收杂散光、抑制背景干扰，大幅提升上层 HPC 结构色的饱和度与视觉辨识度，让颜色变化更为鲜明。与此同时，依托特殊超分子策略开发的水凝胶，兼具优异可拉伸性与导电性，既能适应肢体活动带来的形变，又能作为传感元件精准捕捉运动产生的电信号。最终，这种双层协同作用让传感器实现了“视觉 + 数字”的双模式反馈，有效破解了传统监测技术的诸多痛点。
图 2. 双模式传感器在康复训练监测中的应用
在实际康复训练中，该传感器表现亮眼。训练者进行握力训练、手指屈伸和关节弯曲等动作时，传感器会随运动幅度呈现红、绿、蓝的颜色渐变，直观提示动作是否到位。同步采集的电信号则能精准量化运动幅度、频率等参数，为训练者提供客观评估依据（图 2）。这种兼具直观互动与精准量化的设计，不仅提升了训练者的积极性，也让康复评估更科学。目前该传感器已成功应用于多部位关节监测，且稳定性强，在智能穿戴、人机交互等领域也拥有广阔前景。
本论文的第一作者为澳科大硕士研究生孙志远、博士后于滨鸿；通讯作者为澳科大欧清东助理教授、曾嵩山助理教授和西安交通大学黄占东副教授。该工作得到了澳门科学技术发展基金（FDCT 0065/2023/AFJ、0116/2022/A3、00149/2022/A、0046/2024/AFJ）等项目支持。
原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-025-01963-2
