西工大黄河源&西交大赵鑫等综述：聚合物基柔性无线传感器——从材料设计到智能健康监测系统的全景综述

Polymer-Based Flexible Wireless Sensors for Health Monitoring

Heyuan Huang*, Gang Xue, Jianning Zhan, Yu Yang, Ben Jia, Zhicheng Dong, Zexing Deng, Xin Zhao*

Nano-Micro Letters (2026)18: 398

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02233-5

本文亮点

1. 系统级综述打通材料与无线链路：从表皮、皮下到短期植入式健康监测，首次以“传感、传输与智能处理”端到端框架，阐明材料、界面与无线链路的耦合机制。

2. 材料、性能与可靠性一体化梳理：系统整合碳基、金属、MXene及功能性聚合物等材料体系，厘清其对传感响应、信号稳定性与监测可靠性的影响规律。

3. 直面临床转化瓶颈：聚焦材料级噪声抑制、低功耗无线传输、轻量化人工智能和多功能集成，提炼出高可靠、低功耗智能无线柔性健康监测系统的设计原则与未来方向。

研究背景

柔性无线传感器已成为连续健康监测的研究热点，但多数工作仍局限于单一材料或器件层面，对信号在采集、无线传输及智能处理全链条中的衰减、噪声累积与数据失真的关注严重不足。生理信号极易受到多源干扰，若缺乏有效的数据处理与智能分析策略，监测结果难以满足临床所需的精度与稳定性。因此，亟需一个跨越材料科学、通信技术与智能算法的系统性框架，以打通感知、传输与计算协同设计的关键环节。

内容简介

西北工业大学黄河源/西安交通大学赵鑫团队跳出单点优化的传统范式，首次构建了覆盖传感响应、无线数据与能量传输以及智能数据处理的端到端全景框架。作者系统梳理了聚合物基柔性无线传感器在物理量、化学量及多模态传感中的响应机制，深入比较了近场通信、远场通信、非电磁通信以及近场无线供能、远场无线供能与自供能策略对系统功耗和链路稳定性的影响。在此基础上，进一步分析轻量化原位预处理、传统算法及机器学习方法在提升信号质量和降低传输负担中的作用，并评估了3D打印、4D打印、光刻、激光直写等制造工艺在调控微结构、电学性能与无线射频特性方面的核心地位。通过将柔性基底、导电聚合物、二维MXene等材料体系的界面行为与无线传输性能相关联，综述强化了数据处理与通信的协同机制，最终为下一代高可靠、低功耗、智能化无线柔性健康监测系统提供了明确的发展路线图。

图文导读

I 柔性无线传感的系统蓝图

传统的生理监测如同离散的瞬间读取，难以捕捉数秒间发生的动态健康事件。本文开篇便跳出了材料与通信各自为政的单点研究范式，提出传感响应、无线传输与智能处理三位一体的端到端分析框架。该框架将分子层级的界面电荷行为、无线链路的信号衰减以及后端算法的诊断输出编织成一个深度耦合的闭环系统，为读者呈现了从材料微观缺陷到临床决策误差的完整传递链条。这一全景式架构，为全文各项技术环节的深入剖析奠定了清晰的逻辑坐标(图1)。

图1. 柔性无线传感器在多维度健康监测中的应用场景。

II 多传感机制融合

图2. 基于光学响应与电荷输运机制的典型传感器件及原理。

柔性传感器的核心在于将心率、汗液成分、呼吸节律等生理信号高保真地转换为电学量。本章系统回顾了光学、压阻、电容、压电、摩擦电、化学特异性以及磁响应等主要传感机制，并分析了各自在灵敏度、动态范围和长期稳定性方面的固有取舍。更为关键的是多模态协同策略的阐释：通过在同一材料体系中构建正交的物理响应通道，或借助机器学习在信号域进行非线性分离，能够实现温度与压力、应变与代谢物的同步检测，从而在有限的器件体积内大幅提升信息密度。这些物理与化学机制的协同作用，奠定了高信息量无线传感平台的物理基础(图2、图3)。

图3. 基于化学特异性识别与磁响应的无线传感策略。

III 无线通信供能与数据处理的三角架构

图4. 近场磁耦合与远场辐射通信在可穿戴生理监测中的代表性实现。

图5. 面向植入式监测的超声波非电磁通信技术方案。

本章将数据通信、能量供给和信号处理抽象为相互锁定的三角形系统，强调任何一环的短板都将制约整体的监测效能。在通信端，近场磁耦合(NFC、LC谐振)实现极低功耗的安全交互，远场电磁辐射(BLE、Wi-Fi、LoRa)提供了长距离高吞吐的传输通道，超声波等非电磁方式则以低组织衰减优势切入植入式场景(图4、5)。在供能端，近场谐振耦合、远场射频整流与摩擦电、压电等自供能技术共同构成了三级能量保障体系，而多源协同管理与自适应阻抗匹配则是实现不间断供能的关键(图6、7)。在数据处理端，原位滤波、压缩感知与轻量化边缘AI组成了分层计算架构，其本质是以前端智能换取通信能耗的降低，将原始生理噪声在线转化为可供临床参考的决策信息。这一三角架构的协同运转，是柔性贴片从被动采集器升级为全天候健康伴侣的核心引擎(图8、9)。

图6. 近场谐振耦合与远场射频整流无线能量传输系统。

图7. 基于摩擦电、压电及电化学反应的自供能能量采集器。

图8. 面向柔性磁触觉感知的传统信号解耦与特征提取流程。

图9. 面向声学、手势及睡眠监测的轻量化机器学习处理框架。

IV 制造工艺对器件性能的精确调控

柔性传感器的电学极限往往在制造层面即被确立。本章依次剖析了六种核心工艺如何通过精细控制微观形貌和层间界面，直接塑造传感器的机电响应与无线射频特性。原位聚合借助界面共价键合，对抗大应变下的分层失效(图10)；3D与4D打印以数十微米级精度一体化构建蛇形天线与介电层，实现结构复杂度与柔顺性的统一(图11)；激光诱导碳化利用无掩模直写，在聚酰亚胺等基底上快速形成图案化导电网络(图12)；丝网印刷通过浆料流变与网版规格控制，实现大面积连续导电网络的低成本制备(图13)；喷墨打印以数字化非接触沉积精准调控墨滴形态，构筑高均一性多层电极(图14)；静电纺丝则依靠电场拉伸形成多孔纳米纤维网络，在超薄构型中创造高比表面积(图15)。每种工艺的选择，本质上代表着对线宽精度、界面粘附强度与机械一致性的综合权衡，并最终反映在无线传感器的谐振频率漂移、天线增益和长期服役可靠性之上。

图10. 基于原位光聚合构建高粘附导电水凝胶的制备策略。

图11. 基于立体光刻与多墨水直写的3D与4D打印柔性电子工艺。

图12. 基于激光诱导碳化技术的无掩模图案化导电网络制备。

图13. 基于丝网印刷的银浆螺旋电极与柔性传感阵列制造。

图14. 基于气溶胶喷墨打印的多层纳米薄膜与高精度电极沉积。

图15. 基于静电纺丝制备取向压电纳米纤维的柔性传感器件。

V 材料基因图谱与跨尺度性能集成

材料体系是柔性无线传感器的功能载体，其本征特性直接决定了信号噪声水平与长期运行稳定性。本章以基因图谱的视角，系统对比了当前四大类功能材料的独特禀赋与系统适配性。碳基填料如石墨烯和碳纳米管，凭借高载流子迁移率与可拉伸渗流网络提供极宽的应变检测范围，但界面应力集中和湿气敏感仍是其在动态环境中产生基线漂移的主要原因(图16、图17)。金属家族中，固态金属薄膜通过微裂纹工程实现高灵敏力学感知，液态金属则依靠流体适应性消除了传统刚性填料的机械疲劳，但仍需解决精细图案化和防泄漏封装的技术瓶颈(图18、图19)。高分子家族涵盖天然与合成水凝胶、导电聚合物以及纸基基底，以类组织柔顺性和离子与电子混合导电机制构筑稳定的人机界面，天然水凝胶在生物相容性方面优势显著，合成体系则提供了更强的环境耐受性(图20至图23)。MXene等二维材料凭借金属级电导率、丰富的活性表面官能团和可调层间距，在多模态物理传感和电化学检测中展现出极低的检测限，但其抗氧化与环境稳定性仍是走向临床产品的关键关卡(图24)。这些材料体系的协同集成，须在分子、纳米与微米多尺度上精准调控电荷转移与应力传递，才可能输出一个稳定可靠的无线传感节点。

图16. 基于石墨烯薄膜天线与激光诱导石墨烯的无线应变传感平台。

图17. 基于碳纳米管渗流网络与薄膜晶体管的可拉伸生理信号采集系统。

图18. 基于固态金属薄膜的柔性温度与应变传感单元。

图19. 基于液态金属复合导电纤维的力学传感器。

图20. 基于天然高分子水凝胶的离子导电传感器。

图21. 基于合成高分子水凝胶的柔性触觉与应变传感。

图22. 基于导电聚合物的多模态柔性传感复合膜。

图23. 基于纸张微流控与纤维素多孔结构的汗液分析和压力传感平台。

图24. 基于MXene二维材料的柔性电化学与多模态物理量传感器。

VI 从实验室原型到临床产品的系统演进路径

作为全文的总结与升华，本章直面当前领域面临的五项核心挑战：能量自维持能力不足、人体动态环境下的无线链路失稳、边缘端智能与功耗的尖锐矛盾、长期穿戴引起的器件降解与生物相容性隐患，以及商业化标准的缺失。为突破这些瓶颈，文中以一幅系统演进路线图串联起关键发展方向：构建多源能量收集与自适应功率管理的一体化供能架构；发展人体电磁数字孪生模型以实现链路的实时补偿；部署模型量化与硬件加速的轻量级边缘AI，达成本地实时诊断；借鉴硅纳米膜和可降解电子技术推动器件的超薄化与生物可吸收化；以及利用图神经网络与生成式AI加速材料与结构的一体化设计。这一路线图将材料、工艺、算法与临床需求熔铸为一条可循证的进化阶梯，为下一代高可靠、低功耗、智能化的无线柔性健康监测系统提供了从基础研究到转化落地的行动指南(图25)。

图25. 面向临床转化的无线柔性健康监测系统技术演进路线图。

VII 总结

本综述以传感响应、无线传输与智能处理端到端协同设计为主线，系统梳理了聚合物基柔性无线传感器在健康监测领域的最新进展与核心挑战。文章打破了传统研究中材料、器件与算法相互割裂的局限，将分子尺度的界面电荷行为、无线链路的衰减补偿以及边缘端的数据智能纳入统一分析框架，揭示了从材料微观缺陷到临床误判风险的完整传递链条。

在技术层面，全文深入剖析了光学、电荷输运、化学特异性及磁响应等多元传感机制的物理本质及其多模态融合策略；全面比较了近场磁耦合、远场辐射与超声波通信在传输距离、功耗和组织穿透性上的互补特性，并系统评估了近场与远场无线供能与自供能技术的集成路径。与此同时，文章前瞻性地构建了原位轻量化预处理、传统算法与边缘AI协同的分层数据计算架构，以端侧智能换取通信能耗的降低和实时性的提升，为柔性节点在严苛资源约束下输出临床级决策信息提供了可行方案。

在工程实现维度，综述将3D与4D打印、激光直写、静电纺丝等先进制造工艺的精度调控能力与碳基填料、液态金属、导电水凝胶及MXene等材料体系的跨尺度性能集成相结合，阐明了制造精度与材料本征属性共同决定传感电学性能及无线射频特性的深层逻辑。

最后，本文直面能量自给、链路稳定性、边缘智能、长期生物相容性及商业化标准等五大瓶颈，并勾勒出多源能量协同、人体电磁孪生、轻量化AI芯片、可降解电子以及生成式AI加速材料设计等未来关键演进方向，为下一代高可靠、低功耗、智能化的无线柔性健康监测系统提供了从基础创新到临床转化的系统性行动指南。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc.)，包括微纳米材料与结构的合成、表征、性能及其在能源、催化、环境、传感、人工智能、电磁波吸收与屏蔽、健康监测、生物医药等领域的应用研究及高水平综述。期刊已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2025 JCR IF=38.5，学科排名Q1区前1.5%。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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