近日，上海交通大学化学化工学院朱新远教授、金鑫副研究员团队在国际知名学术期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“All-polymer sea-island structured hydrogels with enhanced mechanical and piezoelectric properties for wearable fitness monitoring”的研究论文。该研究针对压电水凝胶在柔软性、力学强度与压电性能之间难以兼顾的问题，构建了一种具有海岛结构的全聚合物压电水凝胶。通过调控聚偏二氟乙烯（PVDF）与聚乙烯醇（PVA）的相分离行为，研究实现了水凝胶力学性能与有效压电响应的协同提升，并进一步将其应用于人体运动信号监测和动作识别，为高性能柔性可穿戴传感材料的结构设计提供了新思路。
研究背景
随着柔性电子、可穿戴设备及智能运动监测技术的快速发展，兼具柔软性、良好力学性能和高灵敏度的传感材料受到广泛关注。压电水凝胶结合了水凝胶的柔韧性、可变形性与压电材料的机电转换能力，在人体运动监测和生理信号感知等领域具有应用潜力。然而，传统压电水凝胶通常通过将压电材料引入水凝胶基体制备，容易受到两相界面相互作用不足、应力传递效率有限以及压电活性组分分布不均等因素的影响，难以同时实现优异的力学性能与压电响应。PVDF是一种具有良好柔韧性和电活性晶相的典型压电聚合物，但其在复合水凝胶中的微观分布及晶相结构会显著影响材料整体的机电转换性能。因此，如何通过微观结构设计优化应力传递、调控PVDF晶相转变，并实现力学性能与压电性能的协同提升，是压电水凝胶研究中的重要问题。
研究内容
本研究以PVDF和PVA为原料，通过液-液相分离与非溶剂诱导相分离相结合的策略，构建了以多孔PVDF微球为“岛相”、连续PVA水凝胶网络为“海相”的全聚合物压电水凝胶。该结构能够有效分散内部应力、促进载荷传递，并结合PVDF与PVA之间的界面相互作用，协同调控PVDF电活性晶相的形成，从而提升材料的力学性能与压电响应。在优化配比下，PVDF2/PVA10水凝胶的拉伸强度达到约1.3 MPa，断裂伸长率约为700%，韧性达到纯PVA水凝胶的约2.1倍。基于红外光谱的半定量分析，其电活性晶相比例达到约95.1%。经电晕极化后，材料的有效压电系数 (d33,eff ) 达到40.9 ± 1.6 pC/N，并在1600次循环测试后保持稳定的输出波形，体现出良好的力学与压电综合性能。进一步地，研究团队将压电水凝胶制备成可穿戴传感器件，用于监测不同负载下的健身动作及肌肉活动信号，并结合长短期记忆网络 (LSTM) 开展标准与非标准动作识别。基于12名参与者的1200组卧推动作数据，采用留一受试者交叉验证后，模型的总体分类准确率达到91.33%，展示了该材料体系在可穿戴运动监测与智能动作识别方面的应用潜力。
图1 PVDF/PVA PHs的设计策略、性能增强机制及其在可穿戴运动监测中的应用。（a）通过LLPS和NIPS构筑具有海岛结构的PVDF/PVA PHs。（b）力学性能和压电性能的增强机制。（c）PVDF/PVA PHs传感器结合LSTM，实现运动相关信号监测与动作分类。
图2 基于压电水凝胶传感器与LSTM模型的健身动作监测及标准、非标准动作识别结果。（a）运动信号监测与动作分类示意图；（b–d）不同负载及个体条件下的运动信号；（e）压电水凝胶传感器与商用表面肌电传感器的信号对比；（f–h）代偿动作及不同动作幅度的识别；（i）基于LSTM的动作分类与留一受试者交叉验证流程；（j）动作分类混淆矩阵；（k）不同受试者的分类准确率。
论文信息
Jiwei Cui, Jiayin Gao, Yuan Zhuang, Longben Huo, Zhiheng Meng, Hui Feng, Pei Sun, Xinyuan Zhu*, Xin Jin*
All-polymer sea-island structured hydrogels with enhanced mechanical and piezoelectric properties for wearable fitness monitoring.
Chemical Engineering Journal, 2026, 548, 182042.
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.182042
