近日，澳門科技大學材料科學與工程系首屆碩士研究生孫志遠，在歐清東助理教授與曾嵩山助理教授的聯合指導下，在柔性康復監測傳感領域取得重要進展。該團隊借鑒暗冠藍鴉羽毛結構色機制，研發出具有光學和電學回饋的雙模式感測器，實現應變傳感與力致變色雙重功能，為康復監測提供了精准視覺化的新方案。相關成果近日以“Dual-Mode Sensor with Saturated Mechanochromic Structural Color Enhanced by Black Conductive Hydrogel for Interactive Rehabilitation Monitoring”為題發表于高影響力學術期刊《Nano-Micro Letters》（影響因數 36.3）。
傳統康復訓練監測存在顯著技術瓶頸：評估依賴醫護人員的主觀判斷，缺乏精准量化資料支撐。現有電子監測設備多為剛性結構，與人體皮膚機械失配，難以滿足長期連續監測需求。此外，多數感測器僅靠單模態電信號回饋，需專業設備解讀，無法為訓練者提供即時直觀的動作指導。為解決這一回饋缺失問題，具有力致變色特性的結構色材料被廣泛探索，其中羥丙基纖維素（HPC）因具有優異生物相容性與外力回應變色能力成為優選，但該材料無內在吸光組分，光學信號易受背景光、雜散光干擾，導致結構色對比度低、辨識度差，難以實現有效即時視覺引導。
針對以上關鍵問題，該研究團隊創新性地借鑒暗冠藍鴉羽毛的結構色機制，首次提出利用黑色導電水凝膠增強結構色的策略，成功開發出了兼具高結構色飽和度和電信號回應的柔性雙模式感測器。暗冠藍鴉的鈷藍色羽毛並非來自色素，而是典型的結構色，其底層黑色素能高效吸收雜散光，讓特定結構反射的顏色更純淨鮮明。團隊精准模仿這一原理，設計了由兩層核心功能結構組成的感測器（圖 1）。上層是以 HPC 為基材的結構色層，可透過布拉格反射產生結構色，並隨機械形變呈現可逆顏色變化。下層是團隊開發的柔性黑色導電水凝膠（CPH），不僅具備超強吸光能力，還擁有優異的應變傳感性能，兩層結構緊密配合，共同實現感測器的雙模式功能。
圖 1. 雙模式感測器的設計與應用示意圖
這一仿生結構設計的優勢極為突出：與非黑色基底上 HPC 弱的結構色相比，下層黑色水凝膠可高效吸收雜散光、抑制背景干擾，大幅提升上層 HPC 結構色的飽和度與視覺辨識度，讓顏色變化更為鮮明。與此同時，依託特殊超分子策略開發的水凝膠，兼具優異可拉伸性與導電性，既能適應肢體活動帶來的形變，又能作為傳感元件精准捕捉運動產生的電信號。最終，這種雙層協同作用讓感測器實現了“視覺 + 數位”的雙模式回饋，有效破解了傳統監測技術的諸多痛點。
圖 2. 雙模式感測器在康復訓練監測中的應用
在實際康復訓練中，該感測器表現亮眼。訓練者進行握力訓練、手指屈伸和關節彎曲等動作時，感測器會隨運動幅度呈現紅、綠、藍的顏色漸變，直觀提示動作是否到位。同步採集的電信號則能精准量化運動幅度、頻率等參數，為訓練者提供客觀評估依據（圖 2）。這種兼具直觀互動與精准量化的設計，不僅提升了訓練者的積極性，也讓康復評估更科學。目前該感測器已成功應用於多部位關節監測，且穩定性強，在智慧穿戴、人機交互等領域也擁有廣闊前景。
本論文的第一作者為澳科大碩士研究生孫志遠、博士後于濱鴻；通訊作者為澳科大歐清東助理教授、曾嵩山助理教授和西安交通大學黃占東副教授。該工作得到了澳門科學技術發展基金（FDCT 0065/2023/AFJ、0116/2022/A3、00149/2022/A、0046/2024/AFJ）等專案支持。
原文連結：https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-025-01963-2
