远程健康监测对于应对老龄化问题至关重要，精准监测压力与体位是获取血压、呼吸、步态等体征信息的关键。将传感器集成于纺织品是发展下一代柔性可穿戴健康设备的重要方向。然而，灵敏度及量程与场景需求(眼压<10 kPa、血压10-100 kPa、足压>100 kPa)的匹配是核心瓶颈之一。单一传感器难以同时兼顾高灵敏度与宽检测范围。借鉴皮肤精妙的多级感知机制，定制不同压力检测范围的器件，可有效推动可穿戴医疗设备的精准度、适用性和实用性。

近期，香港理工大学陶肖明教授团队在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Textile-Based Mechanoreceptor Array With Tunable Pressure Thresholds for Mutli-Dimensional Detection in Healthcare Monitoring”的研究成果。该工作研发出一种超薄(0.455mm)且耐用(可耐受4万次按压及20次水洗)的柔性纺织机械感受器。其核心优势在于压力检测阈值的可定制化(覆盖1.94 kPa至15 MPa)，并能在极端环境(-40℃至50℃、水下 1m)下保持结构完整与性能稳定。

研究正文

该研究创新性地提出了一种仿生机械感受器的设计方案。通过在绝缘层内引入硅胶微结构，实现了压力检测阈值的可定制化，从而能够精准适配不同应用场景的高效压力检测需求。

图1a清晰地展示了机械感受器的六层“三明治”结构，其关键创新在于在热塑性聚氨酯间隔层中植入了由聚二甲基硅氧烷(PDMS)构成的微柱阵列。这些微柱类似于皮肤的触觉小体，能够精确地控制电路导通所需的压力阈值。在未受压状态下，器件断开状态下的电阻高达360 MΩ;而当受到压力导通后，其电阻骤降至约1.9 Ω，开关比超过8个数量级，与商用刚性开关的性能相当，从而确保了信号的极高清晰度与可靠性。此外，该器件厚度仅为0.455 mm，能够完美集成于纺织品中，展现出极佳的柔韧性和穿戴舒适度(图1b-i)。

图1机械感受器的设计、制造和机制

为实现“按需定制”的压力感知，研究团队通过多维度的结构与材料设计，对压力阈值进行了精准调控。图2b-c数据显示，通过提高PDMS微柱的材料填充率(从11%增至66%)，压力阈值可从3.86 kPa线性上升至44.87 kPa;而通过增加微柱的高度(从100 μm增至300 μm)，阈值更是能从7.21 kPa急剧攀升至506.26 kPa。此外，通过调整PDMS基体的硬度(肖氏3A至60A)、使用更刚性的外层复合织物等手段，都能有效提升触发压力(图2e-i)。这种多参数独立调控的能力，使得该技术能够灵活适配从脉搏监测到足底压力分析等截然不同的应用场景。

图2 织物基机械感受器压力阈值的可调性

除了静态性能，器件的动态响应与长期可靠性同样至关重要。图3b的测试表明，一个典型器件(PDMS高度100 μm，填充率25%)的响应时间仅为6 ms，恢复时间更是低至3.3 ms，能够精准捕捉快速的生理信号。在严苛的耐久性测试中，器件在10 kPa压力下经历40,000次连续压缩-释放循环后，其电压响应信号依然高度稳定，未见明显衰减。在可穿戴设备必须面对的洗涤测试中，器件在经历20次标准机洗后，其关态电阻虽从初始的360 MΩ降至约112 MΩ，但仍保持了超过100 MΩ的极高阻抗，开关比维持在8个数量级，完全满足实用化要求(图3)。

图3 织物基机械感受器的性能表征

为实现空间压力感知并简化系统，研究团队设计了螺旋形串联阵列。该阵列将16个机械感受器与16个阻值约为3 kΩ的柔性电阻串联，仅需2个输出通道即可实现二维定位，极大地降低了系统的复杂性与功耗。实验数据证实了其环境适应性：在水下1 m深处浸泡30 min后，内部测试纸未变色，且各单元电阻无显著变化;在-40°C至55°C的剧烈交变温度循环测试中，阵列的关态电阻与各单元导通电阻均保持稳定。即便在弯曲状态下，当弯曲半径大于5 cm时，阵列仍能维持稳定的关断状态(图4)。

图4 机械感受器阵列的设计、工作机制与性能表征

图5a-c展示了一本为儿童设计的交互式感官书。当儿童按压书页上的不同形状(这些形状分别对应阵列中不同位置的按键，如Key 1, Key 5)时，系统会实时点亮对应的LED图案。这种融合触觉与视觉的互动方式，能有效锻炼儿童的精细动作技能、手眼协调能力以及形状认知能力。图5d-h则展示了一款为老年人定制的记忆训练工具，系统会先显示一个数字序列，使用者需要凭借记忆在阵列上依次按出该序列，有助于激活认知功能，延缓记忆衰退。

图5 用于感官刺激的机械感受器阵列应用

针对帕金森患者高跌倒风险这一严峻问题，开发了一套实时跌倒监测系统。如图6a-c所示，将两个机械感受器阵列分别置于用户左右脚底，并连接到微控制器。当双脚均离开地面(即两个阵列均无信号)时，系统判定为跌倒高风险，立即触发LED或蜂鸣器报警，以提醒看护人员迅速介入。图6d通过4张实景照片，直观展示了系统在单脚离地、双脚站立和双脚离地等不同场景下的正确响应，验证了其作为低成本、可穿戴跌倒预警方案的有效性。

图6 用于帕金森患者跌倒监测的机械感受器阵列系统

综上所述，该研究成功开发出一种超薄纺织仿生机械感受器，其核心优势在于压力检测阈值的精准定制化(1.94 kPa-15 MPa)，兼具超高开关比(10⁸)、卓越耐久性(耐4万次按压/20次水洗)以及极端环境稳定性。创新性的阵列设计融合了压力感知与信号分离功能，仅需双通道即可实现位置映射，显著降低了系统的复杂度与能耗，并用初步应用原型(感官训练、跌倒监测)验证了其实际应用价值。未来的研究将深化器件性能与健康监测应用的结合：一方面，精准匹配关键体征对灵敏度、量程及环境稳定性的差异化需求，实现参数的智能定制;另一方面，优化穿戴舒适性，融合多模态传感与数据分析，以提供精准预警及个性化健康管理方案。