王中林院士團隊AM：超強韌高彈性摩擦電織帶問世，為自供電康復訓練提供隱形嵌入新方案

據《柳葉刀》發布的全面統計分析，全球至少三分之一的人口在疾病或受傷期間需要康復服務，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，目前用于患者康復的關鍵設備仍然以剛性為主，嚴重依賴金屬和硬質塑料，導致系統笨重、昂貴，甚至可能造成使用者不適或二次傷害。傳統的剛性設備往往使患者成為被動的接受者，而非康復旅程的主動參與者，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，這些傳統康復設備通常需要專業醫護人員現場監督，顯著增加了人力成本，限制了其在臨床環境之外的使用。因此，開發能夠隱形融入日常生活的智能、柔性、經濟高效且便攜的康復設備，已成為亟待解決的重要臨床需求。

針對上述挑戰，中國科學院北京納米能源與系統研究所的王中林院士、翟俊宜研究員、于愛芳副研究員合作，成功開發出一種超強韌（約54.7 MPa）且高拉伸性（應變超過400%）的摩擦電織帶（T-webbing）。該材料通過嵌入式織構結構與功能性彈性紗線的協同集成，克服了彈性與機械強度之間長期存在的權衡難題。T-webbing支持大規模定制，具有出色的電學耐久性（超過10萬次循環），并具備可靠的自供電傳感能力，其力學性能可根據不同康復任務進行調節。在概念驗證演示中，研究團隊將T-webbing無縫集成到一個基于機器學習賦能的下肢康復平臺中，實現了97.9%的動作識別準確率，并支持一鍵數據共享、直觀的人機交互和實時遠程指導。相關論文以“Ultra-Robust and Hyperelastic Triboelectric Webbing for Self-Powered Rehabilitation Sensing with Invisible and Embedded Design”為題，發表在Advanced Materials上。

研究團隊展示了采用連續工業化編織技術制備的超長摩擦電織帶（T-webbing）。光學照片和結構圖顯示，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練功能的基礎結構。圖中展示了不同規格（寬度15 mm和30 mm）和材料（尼龍、PET）的T-webbing，并呈現了連續制備超過10米長織帶的規模化潛力。示意圖闡明了T-webbing在實際康復場景中的兩種典型功能——日常體能訓練與生理監測同步進行，并集成了信號處理電路以實現無線實時監測。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設計。

圖1 用于康復醫療的全機器制造摩擦電織帶（T-webbing） (a) T-webbing的光學照片（一卷）及結構示意圖。 (b) T-webbing的制造流程示意圖。 (c) 不同規格和材料的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構的光學照片。[尼龍-30毫米表示T-webbing短邊寬度為30毫米，材料為尼龍]。 (d) 連續制備的長度超過10米的超長功能化T-webbing。 (e) 實際康復醫療場景中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設備中，用于實時無線監測康復運動。 (g) T-webbing與其他常見設計方案的性能比較。

研究揭示了T-webbing的工作機制與電學性能。微觀照片顯示，外力拉伸時摩擦電紗線曲率逐漸減小，釋放后彈性導紗線提供恢復力，使紗線回縮至彎曲形態，從而實現彈性傳感。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，證明織帶在應變下工作穩定。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（<7.2 kPa）靈敏度達0.49 V/kPa。經過10萬次接觸-分離循環后，輸出電壓依然保持穩定，展現了卓越的長期可靠性。此外，織帶還通過了1000次機洗和剪裁測試，電性能幾乎無損，證明其具備傳統紡織品的耐用性、可水洗性和可裁剪性。

圖2 T-webbing的工作原理與電學性能 (a) T-webbing拉伸前后的織構變化。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。 (h) T-webbing在1 Hz接觸頻率下經歷10萬次重復接觸-分離循環的輸出電壓。

力學測試證實T-webbing具備超彈性、超高強度和優異循環耐久性。應力-應變曲線顯示，尼龍-15 mm織帶極限抗拉強度最高（~54.7 MPa，應變為~361.7%），尼龍-30 mm織帶延伸率最大（~408%應變）。與已報道的纖維/紗線電子器件相比，T-webbing在最大應變和斷裂強度兩項參數上均表現優異?；赥-webbing設計的拱形應變傳感器，在周期性拉伸時通過上下表面的接觸-分離產生摩擦電信號。實驗表明，隨著最大設計伸長率從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應變傳感器可應用于標準化康復動作監測——僅在目標應變附近產生顯著電響應，而低幅度無效運動則無響應，從而有效量化訓練效果。

圖3 T-webbing的力學性能及其在拱形應變傳感器中的應用 (a) 三種不同規格T-webbing的應力-應變曲線。 (b) T-webbing在0%-300%范圍內的應力-應變曲線。插圖為0%-100%范圍內的應力-應變曲線及擬合曲線。 (c) 20%-50%應變下的循環加卸載曲線（尼龍-15毫米）。 (d) T-webbing與其他已報道紗線/纖維基電子器件的最大應變和斷裂強度比較。 (e) 基于T-webbing的拱形應變傳感器。左側為拱形傳感器結構示意圖，右側為拉伸周期中的結構變化。 (f) 拉伸時拱形應變傳感器的力學分析。 (g) 在恒定1 Hz頻率、20%至100%不同加載應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變的關系。

針對手指關節、踝關節等重要關節，研究團隊開發了基于T-webbing的智能康復訓練設備。示意圖展示了T-webbing拱形傳感器用于關節康復監測的原理。在實際手指關節康復訓練中，設備能有效檢測手指運動，并通過電信號判斷訓練是否正確執行。對于踝關節康復，電信號響應幅度與踝關節彎曲程度高度相關。在專業康復醫師指導下，團隊建立了標準化康復動作對應的電壓閾值——監測信號超過閾值則視為有效訓練，否則為無效。基于此標準，軟件可實時記錄電信號、快速評估動作規范性并計數有效訓練次數。訓練完成后，軟件會顯示“優秀！你已達到目標！”等鼓勵性提示，幫助患者克服康復訓練的單調與枯燥，提升依從性。

圖4 人體多關節的實時康復訓練 (a) 使用T-webbing拱形傳感器進行關節康復監測的方案示意圖。 (b) 自供電指關節康復訓練系統示意圖。 (c) 指關節康復訓練過程中的實時電信號。 (d) 自供電踝關節康復監測系統示意圖。 (e) 人體踝關節不同角度彎曲下拱形傳感器的電信號。 (f) 通過電信號評估標準化康復訓練周期的歸一化閾值。 (g) 自供電踝關節康復監測系統的實時監測軟件界面圖。 (h) 特定康復訓練任務下的實時電信號顯示。

針對偏癱患者下肢康復需求，研究設計了基于三個T-webbing拱形應變傳感器的三通道智能下肢康復設備。三個傳感器分別布設在三個正交方向，當患者進行下肢訓練時，系統可監測腳部在不同方向（X-、X+、Y-、Y+、Z-、Z+）上的運動。通過采集360個樣本（6類運動方向）構建數據集，并采用機器學習算法自動提取運動特征，識別準確率高達97.9%，混淆矩陣顯示六個方向均實現了高精度感知。配套智能程序集實時電信號記錄、康復行為判斷和計數功能于一體，可在顯示器上實時顯示運動方向判定結果。為了提升患者的視覺體驗和康復動力，研究還展望了基于T-webbing的現代康復前景，并展示了將康復訓練與交互式體驗（如大魚吃小魚游戲）結合的案例，使康復過程更加有趣、主動。

圖5 基于T-webbing的現代康復系統的智能監測與交互應用場景 (a) 三通道康復訓練系統示意圖。 (b) 整個康復監測系統的光學照片，包括電信號采集系統和傳感器節點。 (c) 三通道康復訓練系統的實時電信號。 (d) 數據采集與標準化數據集建立的流程圖。 (e) 六種動作識別的混淆矩陣，準確率為97.9%。 (f) 康復行為監測系統的實時判斷與記錄軟件界面。 (g, h) 兩種不同運動條件下的軟件處理與結果顯示圖。 (i) 基于T-webbing拱形傳感器的現代康復前景展望。 (j) 基于T-webbing拱形傳感器應用于康復訓練的交互體驗案例。

總結與展望：本研究開發的超強韌、高彈性摩擦電織帶，通過嵌入式結構設計與工業化編織技術，成功突破了柔性電子在康復應用中彈性與強度難以兼得的關鍵瓶頸。該織帶不僅具備優異的電輸出穩定性、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據傳輸，可無縫融入日常衣物。結合機器學習算法，該平臺實現了高精度動作識別與實時遠程指導，顯著提升了患者的主動參與度和康復效果。這一織帶基智能康復系統為居家康復、遠程醫療和個性化健康管理提供了低成本、可擴展的變革性解決方案，有望推動康復醫療從被動治療走向數據驅動的主動健康管理新時代。