使用AgNWs材料制备运动传感器及其在体育活动中的性能分析

日常运动的智能贴片

想象一种贴在皮肤上的柔性贴片，在你训练、康复或慢跑时默默记录肌肉如何放电和关节如何运动。本研究展示了这样一种运动传感器，设计为在真实运动中像第二层皮肤一样工作。通过重新设计材料和结合方式，研究者们制造出一种可伸展、耐用的“电子绷带”，在体育运动中能够读取稳定且高质量的肌电信号。

为何更好的运动传感器很重要

随着训练和健康监测越来越依赖数据，教练和医生需要实时准确地了解人体运动情况。许多现有的柔性传感器在真实活动中表现不佳：信号漂移、对快速动作响应迟缓、有用信息被电噪声淹没。本文针对这些薄弱环节展开。作者聚焦于聚二甲基硅氧烷（PDMS）这种常用于医疗器械的柔软橡胶状硅材料，并将其与超细银纳米线结合，后者充当微小的电导通路。目标是制造一种随身体拉伸但仍能保持清晰可靠读数的传感器，特别是在动态运动中。

构建可伸展的电学网络

该设计的核心是在柔性PDMS内部形成三维银纳米线网络。要使这些纳米线均匀分布并牢固地嵌入柔性材料中并不容易；若发生团聚或滑移，电信号会变得不稳定。研究团队先将纳米线与二甲基硅油混合并用超声破散结块，制成预混悬浮液，再将其掺入未固化的PDMS中，倒入模具，经过温和干燥和加热使硅交联成弹性固体。在此过程中，银纳米线在固化的PDMS内形成相互连通的网状结构，产生许多重叠接点供电流通过。当条带被拉伸时，这个网络发生形变，改变电流通过的便捷程度，从而使器件能够感知应变。

从实验室配方到可穿戴设备

为了将这种灵敏条带转变为实用的运动传感器，作者结合了多种制造步骤。他们使用旋涂法制备薄而均匀的导电膜，并用丝网印刷在设计好的图案上添加基于银的电极。这些计算机辅助设计工具也用于调整传感器电路的宽度和曲率，使其更贴合皮肤并获得干净的信号。完成的器件在拉伸测试机上反复拉伸，同时仪器测量电阻的变化。传感器还贴附在关键肌肉上，专业的生物电记录系统在静息和运动时采集肌电活动。随后应用信号处理方法将有意义的肌肉信号与背景噪声分离，并计算信噪比。

在体育测试中检验传感器

新的PDMS基传感器与两种其他常见柔性基材制成的版本进行了比较：纤维素纳米纤维（CNF）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。在3000次拉伸循环中，PDMS传感器的电阻波动小于5%，远小于CNF和PET，它们显示出更大的漂移和疲劳迹象。在高达60%应变的拉伸测试中，PDMS传感器的响应速度约为CNF基传感器的两倍，并明显快于PET基器件。当研究者模拟0.5到2赫兹之间的典型人体运动频率时，PDMS传感器保持稳定，并在0.5–1.5赫兹范围内产生强信号，这与大多数自然肢体运动相匹配。在志愿者进行篮球训练时将传感器贴于手臂和腿部，设备持续产出平均信噪比约25分贝的肌电信号，说明有用信息明显优于背景电噪声。

对训练和健康的意义

简单来说，这项研究表明，通过在柔软硅带中精心排列微小银线，可以制造出一种随身体伸展但读数保持异常稳定的运动传感器。与在更硬或更脆弱材料上制造的类似器件相比，PDMS基传感器在耐久性、响应速度和在真实运动条件下的信号清晰度方面具有优势。尽管关于长期佩戴舒适性、温度影响以及在更极端动作中的适用性等问题仍需研究，但这项工作指向了未来可穿戴贴片的发展方向——在赛场、诊所甚至家庭中以实验室级精度跟踪肌肉负荷和关节运动。

引用: Wang, H. Preparation of motion sensor using AgNWs material and performance analysis in sports activities. Sci Rep 16, 13045 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42806-3

关键词: 可穿戴运动传感器, 银纳米线, 柔性电子学, 体育表现监测, 肌电图