據(jù)《柳葉刀》發(fā)布的全面統(tǒng)計(jì)分析，全球至少三分之一的人口在疾病或受傷期間需要康復(fù)服務(wù)，而在快速老齡化的歐洲，這一比例上升至近一半（約3.94億人）。然而，目前用于患者康復(fù)的關(guān)鍵設(shè)備仍然以剛性為主，嚴(yán)重依賴金屬和硬質(zhì)塑料，導(dǎo)致系統(tǒng)笨重、昂貴，甚至可能造成使用者不適或二次傷害。傳統(tǒng)的剛性設(shè)備往往使患者成為被動的接受者，而非康復(fù)旅程的主動參與者，其明顯的存在感可能帶來不適和心理障礙，降低患者的依從性和參與度。此外，這些傳統(tǒng)康復(fù)設(shè)備通常需要專業(yè)醫(yī)護(hù)人員現(xiàn)場監(jiān)督，顯著增加了人力成本，限制了其在臨床環(huán)境之外的使用。因此，開發(fā)能夠隱形融入日常生活的智能、柔性、經(jīng)濟(jì)高效且便攜的康復(fù)設(shè)備，已成為亟待解決的重要臨床需求。

針對上述挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的王中林院士、翟俊宜研究員、于愛芳副研究員合作，成功開發(fā)出一種超強(qiáng)韌（約54.7 MPa）且高拉伸性（應(yīng)變超過400%）的摩擦電織帶（T-webbing）。該材料通過嵌入式織構(gòu)結(jié)構(gòu)與功能性彈性紗線的協(xié)同集成，克服了彈性與機(jī)械強(qiáng)度之間長期存在的權(quán)衡難題。T-webbing支持大規(guī)模定制，具有出色的電學(xué)耐久性（超過10萬次循環(huán)），并具備可靠的自供電傳感能力，其力學(xué)性能可根據(jù)不同康復(fù)任務(wù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在概念驗(yàn)證演示中，研究團(tuán)隊(duì)將T-webbing無縫集成到一個基于機(jī)器學(xué)習(xí)賦能的下肢康復(fù)平臺中，實(shí)現(xiàn)了97.9%的動作識別準(zhǔn)確率，并支持一鍵數(shù)據(jù)共享、直觀的人機(jī)交互和實(shí)時遠(yuǎn)程指導(dǎo)。相關(guān)論文以“Ultra-Robust and Hyperelastic Triboelectric Webbing for Self-Powered Rehabilitation Sensing with Invisible and Embedded Design”為題，發(fā)表在Advanced Materials上。

研究團(tuán)隊(duì)展示了采用連續(xù)工業(yè)化編織技術(shù)制備的超長摩擦電織帶（T-webbing）。光學(xué)照片和結(jié)構(gòu)圖顯示，摩擦電紗線與彈性紗線并排交織，形成具備接觸起電傳感功能和彈性抗力訓(xùn)練功能的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。圖中展示了不同規(guī)格（寬度15 mm和30 mm）和材料（尼龍、PET）的T-webbing，并呈現(xiàn)了連續(xù)制備超過10米長織帶的規(guī)模化潛力。示意圖闡明了T-webbing在實(shí)際康復(fù)場景中的兩種典型功能——日常體能訓(xùn)練與生理監(jiān)測同步進(jìn)行，并集成了信號處理電路以實(shí)現(xiàn)無線實(shí)時監(jiān)測。性能對比圖表明，T-webbing在柔性、彈性、耐用性、舒適性、可定制性和成本等方面全面超越傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖1 用于康復(fù)醫(yī)療的全機(jī)器制造摩擦電織帶（T-webbing） (a) T-webbing的光學(xué)照片（一卷）及結(jié)構(gòu)示意圖。 (b) T-webbing的制造流程示意圖。 (c) 不同規(guī)格和材料的T-webbing展示，包括尼龍-30毫米、尼龍-15毫米、PET-15毫米。插圖為織帶一端部分拆解結(jié)構(gòu)的光學(xué)照片。[尼龍-30毫米表示T-webbing短邊寬度為30毫米，材料為尼龍]。 (d) 連續(xù)制備的長度超過10米的超長功能化T-webbing。 (e) 實(shí)際康復(fù)醫(yī)療場景中T-webbing兩種典型功能的示意圖。 (f) T-webbing與信號處理電路集成到智能康復(fù)設(shè)備中，用于實(shí)時無線監(jiān)測康復(fù)運(yùn)動。 (g) T-webbing與其他常見設(shè)計(jì)方案的性能比較。

研究揭示了T-webbing的工作機(jī)制與電學(xué)性能。微觀照片顯示，外力拉伸時摩擦電紗線曲率逐漸減小，釋放后彈性導(dǎo)紗線提供恢復(fù)力，使紗線回縮至彎曲形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)彈性傳感。原子尺度電子云勢阱模型解釋了尼龍與FEP層之間的接觸起電過程。電學(xué)測試表明，在1-4 Hz接觸頻率下，開路電壓（Voc）隨頻率增加略有上升；在0%-75%不同拉伸比率下，Voc衰減極小，證明織帶在應(yīng)變下工作穩(wěn)定。在不同壓力（1.9、16.0、40.8 kPa）作用下，輸出電壓隨壓力增大而增加，且在低壓區(qū)（<7.2 kPa）靈敏度達(dá)0.49 V/kPa。經(jīng)過10萬次接觸-分離循環(huán)后，輸出電壓依然保持穩(wěn)定，展現(xiàn)了卓越的長期可靠性。此外，織帶還通過了1000次機(jī)洗和剪裁測試，電性能幾乎無損，證明其具備傳統(tǒng)紡織品的耐用性、可水洗性和可裁剪性。

圖2 T-webbing的工作原理與電學(xué)性能 (a) T-webbing拉伸前后的織構(gòu)變化。比例尺：1毫米。 (b) 描述FEP與尼龍T-webbing之間接觸起電的原子尺度電子云勢阱模型。 (c) T-webbing電學(xué)測試平臺示意圖。 (d) 接觸頻率從1 Hz到4 Hz時T-webbing的開路電壓輸出。 (e) 在0%至75%不同拉伸比率下T-webbing的開路電壓輸出。 (f) 在恒定1 Hz接觸頻率、不同加載壓力（1.9、16.0和40.8 kPa）下T-webbing的輸出電壓。 (g) 電壓峰值差隨施加壓力的變化函數(shù)。 (h) T-webbing在1 Hz接觸頻率下經(jīng)歷10萬次重復(fù)接觸-分離循環(huán)的輸出電壓。

力學(xué)測試證實(shí)T-webbing具備超彈性、超高強(qiáng)度和優(yōu)異循環(huán)耐久性。應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示，尼龍-15 mm織帶極限抗拉強(qiáng)度最高（~54.7 MPa，應(yīng)變?yōu)閪361.7%），尼龍-30 mm織帶延伸率最大（~408%應(yīng)變）。與已報(bào)道的纖維/紗線電子器件相比，T-webbing在最大應(yīng)變和斷裂強(qiáng)度兩項(xiàng)參數(shù)上均表現(xiàn)優(yōu)異。基于T-webbing設(shè)計(jì)的拱形應(yīng)變傳感器，在周期性拉伸時通過上下表面的接觸-分離產(chǎn)生摩擦電信號。實(shí)驗(yàn)表明，隨著最大設(shè)計(jì)伸長率從20%增至100%，電輸出呈增長趨勢；在接近最大伸長率時，電輸出急劇增加，這歸因于接觸面積的快速增長。這種特性使得T-webbing應(yīng)變傳感器可應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)化康復(fù)動作監(jiān)測——僅在目標(biāo)應(yīng)變附近產(chǎn)生顯著電響應(yīng)，而低幅度無效運(yùn)動則無響應(yīng)，從而有效量化訓(xùn)練效果。

圖3 T-webbing的力學(xué)性能及其在拱形應(yīng)變傳感器中的應(yīng)用 (a) 三種不同規(guī)格T-webbing的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 (b) T-webbing在0%-300%范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插圖為0%-100%范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及擬合曲線。 (c) 20%-50%應(yīng)變下的循環(huán)加卸載曲線（尼龍-15毫米）。 (d) T-webbing與其他已報(bào)道紗線/纖維基電子器件的最大應(yīng)變和斷裂強(qiáng)度比較。 (e) 基于T-webbing的拱形應(yīng)變傳感器。左側(cè)為拱形傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，右側(cè)為拉伸周期中的結(jié)構(gòu)變化。 (f) 拉伸時拱形應(yīng)變傳感器的力學(xué)分析。 (g) 在恒定1 Hz頻率、20%至100%不同加載應(yīng)變下拱形傳感器的輸出電壓。 (h) 基于T-webbing的拱形傳感器的電壓峰值差與施加應(yīng)變的關(guān)系。

針對手指關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等重要關(guān)節(jié)，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于T-webbing的智能康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備。示意圖展示了T-webbing拱形傳感器用于關(guān)節(jié)康復(fù)監(jiān)測的原理。在實(shí)際手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練中，設(shè)備能有效檢測手指運(yùn)動，并通過電信號判斷訓(xùn)練是否正確執(zhí)行。對于踝關(guān)節(jié)康復(fù)，電信號響應(yīng)幅度與踝關(guān)節(jié)彎曲程度高度相關(guān)。在專業(yè)康復(fù)醫(yī)師指導(dǎo)下，團(tuán)隊(duì)建立了標(biāo)準(zhǔn)化康復(fù)動作對應(yīng)的電壓閾值——監(jiān)測信號超過閾值則視為有效訓(xùn)練，否則為無效。基于此標(biāo)準(zhǔn)，軟件可實(shí)時記錄電信號、快速評估動作規(guī)范性并計(jì)數(shù)有效訓(xùn)練次數(shù)。訓(xùn)練完成后，軟件會顯示“優(yōu)秀！你已達(dá)到目標(biāo)！”等鼓勵性提示，幫助患者克服康復(fù)訓(xùn)練的單調(diào)與枯燥，提升依從性。

圖4 人體多關(guān)節(jié)的實(shí)時康復(fù)訓(xùn)練 (a) 使用T-webbing拱形傳感器進(jìn)行關(guān)節(jié)康復(fù)監(jiān)測的方案示意圖。 (b) 自供電指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)示意圖。 (c) 指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練過程中的實(shí)時電信號。 (d) 自供電踝關(guān)節(jié)康復(fù)監(jiān)測系統(tǒng)示意圖。 (e) 人體踝關(guān)節(jié)不同角度彎曲下拱形傳感器的電信號。 (f) 通過電信號評估標(biāo)準(zhǔn)化康復(fù)訓(xùn)練周期的歸一化閾值。 (g) 自供電踝關(guān)節(jié)康復(fù)監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測軟件界面圖。 (h) 特定康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)下的實(shí)時電信號顯示。

針對偏癱患者下肢康復(fù)需求，研究設(shè)計(jì)了基于三個T-webbing拱形應(yīng)變傳感器的三通道智能下肢康復(fù)設(shè)備。三個傳感器分別布設(shè)在三個正交方向，當(dāng)患者進(jìn)行下肢訓(xùn)練時，系統(tǒng)可監(jiān)測腳部在不同方向（X-、X+、Y-、Y+、Z-、Z+）上的運(yùn)動。通過采集360個樣本（6類運(yùn)動方向）構(gòu)建數(shù)據(jù)集，并采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法自動提取運(yùn)動特征，識別準(zhǔn)確率高達(dá)97.9%，混淆矩陣顯示六個方向均實(shí)現(xiàn)了高精度感知。配套智能程序集實(shí)時電信號記錄、康復(fù)行為判斷和計(jì)數(shù)功能于一體，可在顯示器上實(shí)時顯示運(yùn)動方向判定結(jié)果。為了提升患者的視覺體驗(yàn)和康復(fù)動力，研究還展望了基于T-webbing的現(xiàn)代康復(fù)前景，并展示了將康復(fù)訓(xùn)練與交互式體驗(yàn)（如大魚吃小魚游戲）結(jié)合的案例，使康復(fù)過程更加有趣、主動。

圖5 基于T-webbing的現(xiàn)代康復(fù)系統(tǒng)的智能監(jiān)測與交互應(yīng)用場景 (a) 三通道康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)示意圖。 (b) 整個康復(fù)監(jiān)測系統(tǒng)的光學(xué)照片，包括電信號采集系統(tǒng)和傳感器節(jié)點(diǎn)。 (c) 三通道康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)時電信號。 (d) 數(shù)據(jù)采集與標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)集建立的流程圖。 (e) 六種動作識別的混淆矩陣，準(zhǔn)確率為97.9%。 (f) 康復(fù)行為監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時判斷與記錄軟件界面。 (g, h) 兩種不同運(yùn)動條件下的軟件處理與結(jié)果顯示圖。 (i) 基于T-webbing拱形傳感器的現(xiàn)代康復(fù)前景展望。 (j) 基于T-webbing拱形傳感器應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練的交互體驗(yàn)案例。

總結(jié)與展望：本研究開發(fā)的超強(qiáng)韌、高彈性摩擦電織帶，通過嵌入式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工業(yè)化編織技術(shù)，成功突破了柔性電子在康復(fù)應(yīng)用中彈性與強(qiáng)度難以兼得的關(guān)鍵瓶頸。該織帶不僅具備優(yōu)異的電輸出穩(wěn)定性、耐洗性、可裁剪性和紡織品類舒適度，還支持自供電傳感與無線數(shù)據(jù)傳輸，可無縫融入日常衣物。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，該平臺實(shí)現(xiàn)了高精度動作識別與實(shí)時遠(yuǎn)程指導(dǎo)，顯著提升了患者的主動參與度和康復(fù)效果。這一織帶基智能康復(fù)系統(tǒng)為居家康復(fù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療和個性化健康管理提供了低成本、可擴(kuò)展的變革性解決方案，有望推動康復(fù)醫(yī)療從被動治療走向數(shù)據(jù)驅(qū)動的主動健康管理新時代。