元拓扑水凝胶实现多源与频率定制的生物电子伪影抑制

更清晰的身体信号为何重要

我们许多人现在佩戴的设备在日常生活中监测心率、睡眠或压力。然而，当我们移动时，这些设备表现欠佳，因为肌肉抽动、皮肤位移和其他身体运动会产生“伪影”，淹没医生关注的微弱信号。本研究提出了一种置于体表与电子设备之间的新型柔性材料，以抑制这些噪声，旨在使持续的、真实场景下的健康追踪更加可靠，尤其适用于如疲劳这类在长时间活动中逐步显现的问题。

为可穿戴传感器提供的柔性屏障

研究团队设计了一种特殊的水凝胶——一种含水丰富、类皮肤的材料，作为体表与传感器之间的智能缓冲层。该水凝胶不是把所有干扰一概而论，而是针对选定频段内的不同类型不需要的信号进行处理。它同时应对由运动产生的机械噪声和来自肌肉的电噪声，同时仍允许那些揭示心血管系统和神经系统状态的慢速压力脉动和微弱心脏信号通过。

凝胶如何抑制运动与肌肉噪声

在水凝胶内部，团队构建了重复排列的小颗粒结构，这些颗粒像内置的减震器一样工作。当振动穿过材料时，这些颗粒在选定的频段发生共振并吸收机械能，而不是将其传至传感器。与此同时，凝胶中的液相经过调谐，使携带电信号的离子能跟随诸如心律等缓慢变化，但无法追随速度更快的肌肉活动。通过调整化学成分，研究人员将这种电学滤波与典型的心肌和骨骼肌信号频率范围匹配，阻断大部分肌肉干扰，同时保留心电图波形的核心形态。

将嘈杂脉动转为清晰的健康数据

为在现实使用中测试该材料，团队将其与佩戴在手腕和手臂上的薄压电传感器和心脏电极结合。在日常运动中，水凝胶显著降低了血压读数中的伪性波动并提高了心信号的清晰度。血压测量接近临床参考标准，误差小于一毫米汞柱，并将心电记录的信噪比提升到通常仅在受控实验室中见到的水平。随后在硬件滤波之上应用了一种称为自编码器的学习算法，进一步去除残余噪声，同时保留医生用于诊断的显著波峰。

从更清晰的信号到疲劳追踪

借助这些更稳定的信号，研究人员在志愿者多日工作和模拟驾驶过程中追踪了心脏模式如何随疲劳累积而改变。他们提取了心率变异性、血压趋势以及每次心跳内的微小时序变化等特征。这些测量反映了身体“休息与消化”与“战斗或逃跑”两条神经系统分支之间的平衡。通过将这些模式与问卷评分一起用于训练深度学习和回归模型，系统能够区分不同的疲劳水平，并在佩戴者处于运动状态时将个人疲劳评分估计到超过92%的准确率。

从疲劳扩展到日常健康检测

最后，团队展示了相同的水凝胶层能够净化更广泛的生物信号，包括心肺音、言语振动以及脑与眼活动——这些信号通常在人体运动时被扭曲。该工作描绘了这样的未来：单一、舒适的贴片就能在真实生活中为医生和用户提供持续、可信的读数，而不仅限于安静的临床环境。简言之，这项研究表明，精心结构化的软材料可以作为传感器的降噪“座垫”，将杂乱的体信号转化为更清晰的健康监测信息，适用于疲劳及其他多种健康指标。

引用: Tian, G., Huang, L., Pan, X. et al. Meta-topological hydrogel enables multisource and frequency-tailored artefact mitigation for bioelectronics. Nat. Sens. 1, 413–424 (2026). https://doi.org/10.1038/s44460-026-00055-x

关键词: 可穿戴生物电子学, 运动伪影, 水凝胶界面, 疲劳监测, 生理信号