北理工胡斌/蔡然等：受猪笼草启发的智能“呼吸”电子皮肤

Intelligent Breathing Electronic Skin Inspired by Nepenthes for Active Sweat Management, Multimodal Sensing and High-Fidelity Electromyographic Teleoperation Using Machine Learning

Yichen Li, Kai Zheng, Guangtian Zhang, Wentao Chen, Chengtan Liu, Seonho Shin, Bihai Yang, Ran Cai*, Bin Hu*

Nano-Micro Letters (2026)18: 401

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02252-2

本文亮点

1. 仿生排汗：受猪笼草口缘单向液体输运机制启发，构建Janus双层“液体二极管”电子皮肤，使汗液从皮肤侧向外侧单向导出，并抑制反向渗漏。

2. 透气与拉伸：SPTL电子皮肤具有约627%的拉伸应变和20.02 mm s⁻¹ 的透气性，并具有生物相容性和防水性能，可用于长时间佩戴和出汗场景。

3. 多模态传感：器件可进行接触/非接触电容感知、Morse码传输、压力识别和微弱形变检测，并采集EEG、EMG、ECG和EOG等电生理信号。

4. 机器学习遥操作：结合EMG信号与机器学习算法，SPTL电子皮肤可用于四足机器人遥操作和手写字母识别，识别准确率超过95%。

研究背景

贴在皮肤上的传感器，很多时候不是败给弯折，而是败给汗液。电子皮肤要用于健康监测、康复医疗、机器人和人机交互等场景，首先需要柔软、贴合、可拉伸，也要能稳定采集人体生理信号。但实际使用往往不像实验室那样理想：运动、高温或临床连续监测都会带来汗液。汗液一旦在电子皮肤与皮肤之间积累，界面就容易滑移、粘附变差，甚至引起短路、信号串扰和伪影，使采集质量下降。

现有可穿戴电极和电子皮肤多依靠多孔结构被动透气，或通过水凝胶来改善信号质量。但被动蒸发难以应对大量出汗，水凝胶也容易脱水、性能随时间衰减；已有单向导湿膜则多见于纺织品和过滤材料，较少与柔性电路和人机交互系统结合。如何在保持柔软、可拉伸和信号稳定的同时，把汗液定向导出，是长期贴肤佩戴需要解决的问题。

内容简介

针对汗液积累导致的电子皮肤界面失稳和信号失真，北京理工大学胡斌、蔡然团队从猪笼草口缘结构中获得启发，设计了一种会“呼吸”的电子皮肤 SPTL。这里的“呼吸”并不是指材料主动开合，而是指器件能把皮肤侧产生的汗液定向导出，让皮肤-电极界面尽量保持稳定。

猪笼草口缘排列着定向微观沟槽，液体在不对称毛细力作用下更容易沿一个方向流动，而不容易倒灌。团队把这一思路用到膜结构设计中：贴肤一侧为疏水 SBS 层，外侧为亲水 PAN/TPU 层，并在膜面印刷液态金属电极。佩戴过程中，汗液可在润湿性梯度和毛细作用驱动下进入外侧亲水层并扩散；当外界液体反向接触时，疏水层则阻止其回渗。

基于这块电子皮肤，团队进一步做了接触/非接触传感、电生理信号采集和人机交互演示。SPTL 可以采集 EMG、EEG、ECG 和 EOG 等信号；将 EMG 信号输入机器学习模型后，还可用于四足机器人遥操作和手写字母识别。

图文导读

I 从猪笼草口缘到电子皮肤：Janus“液体二极管”的构建

如图1所示，猪笼草口缘的微结构能引导液体朝特定方向流动、抑制回流。团队据此设计了SBS/PAN-TPU的Janus双层基底，再用液态金属油墨丝网印刷出导电图案；制备上依次为SBS疏水层电纺、PAN/TPU亲水层电纺和液态金属电极印刷。最终的SPTL把单向排汗、透气、防水、可拉伸、贴肤和信号采集集成在同一块膜上，这也是后续手写字母识别、Morse码通信和四足机器人肌电遥操作的硬件基础。

图1. SPTL电子皮肤的仿生设计、制备流程与应用概览。

II 微孔透气、拉伸与导电：SPTL的材料基础

如图2所示，SPTL的性能来自Janus纤维膜和液态金属导电网络。SBS层提供疏水性和弹性，PAN/TPU层提供亲水性和水分传输通道。两层通过连续电纺形成物理缠结，可降低拉伸过程中的分层风险。多孔纤维网络使SPTL具有20.02 mm s⁻¹的透气性，高于常见PVC胶带和布胶带；其水汽透过性能可满足皮肤散湿需求。

力学测试显示，通过调控PAN/TPU与SBS的电纺比例，器件拉伸应变可达627%。液态金属颗粒在外力作用下可重新连通，形成导电通路，使电子皮肤在大形变下保持信号输出。细胞实验和前臂贴附实验表明，SPTL具有生物相容性和皮肤贴附适应性，为长时间贴肤佩戴提供了材料基础。

图2. SPTL电子皮肤的形貌、化学组成、透气性和力学性能。

III 单向导湿与抗反渗：Janus基底的液体输运

如图3所示，SPTL的Janus结构形成润湿性梯度：靠近皮肤的SBS层为疏水层，外侧PAN/TPU层为亲水层。当汗液从皮肤侧接触器件时，亲水层产生的毛细力可克服疏水阻力，将液体引向外侧；当液体从外侧反向接触时，疏水SBS层形成能垒，阻止液体回流。

该Janus基底膜的累积单向传导能力为956.36，整体液态水管理能力为0.62。实验中，液体可在模拟佩戴压力下实现从下向上的抗重力输运；反向测试时，下方指示滤纸保持干燥，说明该结构具有抗反渗能力。该设计使SPTL不只依赖透气散湿，还可调控汗液流向，也就是说，它处理的是汗液的流向，而不只是提高透气速度。

图3. SPTL电子皮肤的表面润湿性、单向导湿行为和液体二极管机制。

IV 接触/非接触传感：多模态电子皮肤

如图4所示，SPTL可作为多模态传感平台。研究团队设计了波浪形叉指电极结构，使器件在拉伸时通过结构展开释放局部应力，并提高电容响应。SPTL-1在低压范围内的压力灵敏度为7.39 kPa⁻¹，响应时间约30 ms，恢复时间约20 ms，可记录按压动作。

在功能演示中，SPTL可以识别不同的按压节奏，完成Morse码输入，例如“HELLO”和“SOS”。经过10000次按压循环后，初始相对电容衰减小于3%，说明液态金属导电网络具有循环稳定性。除了接触识别，SPTL还能通过边缘电场感知手指的非接触接近，并区分接近的方向、距离、频率、手指数量和角度。接触与非接触兼具，同一块膜既能感知按压，也能感知手指靠近。

图4. SPTL电子皮肤的接触与非接触多模态传感应用。

V 湿汗环境下的电生理信号监测

如图5所示，SPTL还可作为生物集成电极，用于采集肌电、脑电、心电和眼电信号。与商用Ag/AgCl电极相比，SPTL通过液体二极管结构导出皮肤侧汗液，维持皮肤-电极界面，降低汗液引起的阻抗波动、信号串扰和运动伪影。

在肌电采集中，SPTL电极的信噪比为24.25 dB，高于Ag/AgCl电极的15.02 dB。志愿者做30分钟动感单车和15分钟连续哑铃训练时，SPTL仍能稳定记录EMG信号。它还可以采集眼电信号、10 Hz的脑电α节律，以及带有清晰PQRST波群的心电信号，适合运动健康和长期生理监测等场景。

图5. SPTL电子皮肤用于高保真电生理信号采集与运动场景监测。

VI 基于肌电信号的机器学习遥操作

如图6所示，研究团队将SPTL采集的EMG信号与机器学习算法结合，用于四足机器人遥操作。原始肌电数据经过清洗、去除异常值、Butterworth带通滤波、归一化和滑动窗口分割后，输入Transformer编码器提取时序特征。模型采用多数投票机制进行实时预测，并通过迁移学习进行个体化适配。

在“up、down、left、right、home”五类手势控制任务中，模型识别准确率超过99%，其中“up/down/home”达到100%，“left/right”之间只有少量混淆。识别结果可无线传给四足机器人，实现低延迟的动作控制。SPTL在手写字母A、B、C、D的识别上也达到超过95%的准确率，说明这类肌电信号足以支撑动作识别和机器人控制。

图6. 基于SPTL肌电信号和机器学习的四足机器人遥操作与字母识别。

VII 总结

本研究设计了一种受猪笼草启发的智能“呼吸”电子皮肤SPTL。该器件由Janus双层纤维膜和液态金属柔性电极组成，可用于汗液管理、多模态传感、电生理监测和机器学习辅助人机交互。

在结构上，疏水SBS层与亲水PAN/TPU层构成非对称润湿梯度，使器件具备“液体二极管”功能：汗液可从皮肤侧单向导出，外界液体难以反向渗入。该机制可缓解长期佩戴时的汗液积累、界面失稳和信号伪影问题。

在功能上，SPTL具有627%拉伸应变、20.02 mm s⁻¹透气性和7.39 kPa⁻¹压力灵敏度，可实现接触/非接触电容感知、Morse码通信、微弱压力检测，并采集EEG、EMG、ECG、EOG等电生理信号。结合机器学习算法后，该系统可用于四足机器人遥操作和手写字母识别。

总的来说，这项工作的重点不只是做出一块可拉伸电极，而是把汗液管理放进了电子皮肤的结构设计中。受猪笼草启发的单向导液机制，让器件在长期佩戴和大量出汗时仍能导出汗液、稳定采集信号。对运动监测、远程医疗和其他长时间贴肤应用来说，这一点比单纯提高灵敏度更接近真实使用需求。

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