博士论文 | City UHK 2026 | 用于具身交互和数字健康的皮肤界面和纺织品集成可穿戴系统 185页

人工智能 (AI)、物联网和第五代 (5G) 通信技术的飞速发展，正引领信息技术与人类社会融合进入一个新时代，深刻变革着人机交互和医疗保健领域。在人机交互方面，以机器人、虚拟现实 (VR) 和增强现实 (AR) 为代表的具身交互，正从传统的控制与反馈模式转向无缝、自然且沉浸式的用户体验。在医疗保健领域，以持续、主动和个性化护理为特征的数字健康，正推动传统医学从被动治疗转向预防和精准干预。可穿戴系统作为连接人类与数字世界的物理媒介，以及连接个人与数字健康的关键节点，已成为推进下一代信息技术和生物医学工程的核心主题。本论文报告了可穿戴系统基础组件（包括传感器和执行器）的开发，并详细阐述了它们在皮肤界面和纺织品集成系统中的集成。更重要的是，本研究展示了这些可穿戴系统在具身交互和数字健康领域的潜在应用。本论文的主要贡献总结如下：

首先，开发了多种用于人体监测的高性能传感器，包括运动学和电生理传感传感器。具体而言，开发了一种耐用的电子纺织品应变传感器，该传感器基于纳米复合纱线应变传感器，其制备方法是将石墨烯和银纳米线（AgNWs）涂覆在细聚氨酯（PU）纱线上。然后将纱线应变传感器热压成型为热塑性聚氨酯（TPU）片材，从而得到一种可以隐蔽地贴附或缝入衣物的电子纺织品应变传感器。此外，还开发了一种基于液态金属（LM）的皮肤界面应变传感器，该传感器可作为电子皮肤，用于全指关节监测和手势识别。该基于LM的应变传感器采用磁致图案化法制备，在300%应变下实现了5.17的灵敏系数（GF）。此外，我们通过将银纳米线网络滴涂到弹性聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底上，制备了一种厚度仅为300 μm、薄层电阻低（0.481 Ω·sq⁻¹ ）且机械强度高的皮肤电极，用于检测表面肌电图（sEMG）信号。与商用Ag/AgCl电极相比，该皮肤电极能够以更高的信噪比（SNR）记录前臂肌肉的sEMG信号。

其次，我们开发了两种高触觉刺激密度的电磁致动器，用于具身交互中的触觉反馈。具体来说，我们基于铜线圈开发了一种尺寸紧凑（厚度2.2 mm，直径10 mm）的电磁致动器。通过优化磁体承载软膜的厚度至0.23 mm，将致动器的谐振频率调整至210 Hz，接近人体触觉峰值频率。此外，用户测试表明，在指尖0.14-0.73 V的电压输入和手掌0.10-0.42 V的电压输入下，均可感知到触觉刺激。随后，我们开发了一种基于高密度液态金属微线圈的弹性触觉电磁致动器（EHEA）。该双层液态金属微线圈采用真空辅助浸渗工艺在激光烧蚀微流控通道中制备。研究发现，22匝的微线圈能够最佳地平衡磁通密度和焦耳热。由于LM微线圈具有极高的磁通密度生成效率（19.86 T·W⁻¹ · m⁻² ），用户仅需0.809-2.369 mW的功率输入即可感知触觉刺激。这种低感知功率有效降低了用于触觉反馈的软电磁致动器的高功耗。

此外，基于上述高性能传感器和致动器，开发了多种可穿戴系统，并验证了其在具身交互中的应用价值。具体而言，通过将电子纺织应变传感器、基于铜线圈的电磁振动器以及惯性测量单元（IMU）集成，开发了一种触觉智能运动追踪（HIMT）手套。该手套旨在通过将上肢运动映射到虚拟人体上，实现自然的人机交互，从而增强虚拟交互体验。手套的性能已通过交互式物理治疗和临床诊断得到验证。此外，还通过集成EHEA和基于LM的应变传感器，开发了一种触觉指套界面。该接口实现了闭环触觉控制和反馈系统，从而能够远程操控具有刚度感知功能的机械臂。此外，它还展示了通过触觉反馈远程操控内窥镜，对乙状结肠癌病变组织进行远程触诊的应用。

第四，基于电子纺织应变传感器和其他传感器，开发了一种用于评估上肢和下肢功能的电子纺织膝垫和一种多模态传感器手套。该系统旨在设计用于老年人功能评估的纺织品集成可穿戴系统。多模态传感器手套集成了电子纺织应变传感器、力传感器阵列和惯性测量单元（IMU），可全面评估手部力量、手指灵活性和手部稳定性。对这些测试的各项指标与老年人的四肢骨骼肌质量指数（ASMI）进行了显著相关性分析。此外，使用电子纺织膝垫评估了老年人在坐立（STS）动作中的下肢运动表现。用户按年龄、体重指数（BMI）和性别分组。研究发现，快速STS动作的幅度和稳定性与老年人的年龄、性别和BMI之间存在显著相关性。这些研究结果凸显了纺织品集成可穿戴系统的适用性，并强调了其在老年人群长期健康监测方面的潜力。

总而言之，本论文系统地研究了用于具身交互和数字健康的可穿戴系统，从基础组件、传感器和执行器的设计与制造，到它们与皮肤界面和纺织品集成的可穿戴系统的集成。集成的可穿戴系统实现了无缝的人机交互和有效的多模态健康监测。本论文为可穿戴技术领域的关键挑战提供了切实可行的解决方案，为下一代具有先进性能和多功能性的可穿戴系统铺平了道路，这些系统将在沉浸式具身交互和个性化数字健康领域实现变革性应用。

论文题目：Skin-Interfaced and Textile-Integrated Wearable Systems for Embodied Interaction and Digital Health

作者：Xiaoyang ZOU

类型：2026年博士论文

学校：City University of Hong Kong（香港城市大学）

下载链接：https://t.zsxq.com/SJfKL

请索引第131篇博士论文

1.1 背景：人机交互和医疗保健领域的新兴趋势

近几十年来，计算机和电子技术的飞速发展推动信息技术与人类社会的融合进入了一个新时代。人工智能的发展以及互联网和5G通信技术的普及进一步加速了这一融合进程，尤其对人机交互和医疗保健领域产生了深远的影响[1]。

在人机交互领域，尽管机器人技术发展迅猛，但目前主流的交互模式仍然是单向的，主要集中于人机信号传输。现有的控制方法主要依赖于键盘、鼠标、控制器和触摸屏等非直观的工具，使得人机交互较为间接。然而，随着虚拟现实（VR）和增强现实（AR）等技术的日趋成熟，一种更加直观自然的交互模式——具身交互——正逐渐成为关键前沿领域[2, 3]。具身交互强调将用户的物理动作和感知与数字世界无缝融合，旨在打破物理世界和虚拟世界之间的壁垒，创造真正沉浸式的体验。实现这一目标需要先进的技术来捕捉人体运动学特征，并向用户提供丰富逼真的触觉反馈，从而构建一个完整的控制反馈闭环系统。

此外，信息技术正在推动医疗保健领域的重大变革。传统的医疗模式严重依赖于零散的门诊检查和侵入性检测，这给慢性病管理和急性健康事件的早期发现带来了巨大挑战。因此，现代医疗保健模式正在向更加积极主动、持续和个性化的模式转型，即数字健康[4]。数字健康的核心原则是通过持续、纵向地收集生命体征和生物标志物数据来建立个体化的健康基线[5]。这场变革促进了从被动治疗到主动预防和精准干预的战略转变。数字健康的广泛应用有望大幅提高心血管疾病和糖尿病等慢性病的管理效率。此外，数字健康有望在提高老年康复和护理质量的同时，降低整体医疗保健支出[6]。

作为能够非侵入式地持续贴合人体的技术平台，可穿戴系统在具身交互和数字健康领域至关重要。在具身交互中，可穿戴系统能够集成各种传感器，捕捉人体运动学数据，实现自然控制。它们还能提供触觉反馈，从而成为人、机器或虚拟世界之间信息交换的物理媒介[7]。此外，在数字健康领域，可穿戴系统作为连接个体与庞大数字健康模型的核心节点[8]。因此，开发高性能、多功能、智能的可穿戴系统已成为推进下一代信息技术和生物医学工程的核心主题。

1.2 可穿戴系统模式：皮肤贴合式和纺织品基

1.2.1 皮肤贴合式可穿戴系统

皮肤贴合式可穿戴系统，也称为电子皮肤或表皮电子器件，是一种可拉伸的电子器件，能够紧密贴合人体皮肤表面（图 1.1a）[9, 10]。皮肤贴合式系统的设计灵感源于人体皮肤本身固有的多功能性，旨在实现与人体信号交互的最高保真度。其核心优势在于与皮肤建立紧密稳定的界面，从而最大限度地减少运动伪影和环境噪声的干扰。与皮肤的紧密贴合使得能够精确采集微弱的生理信号，例如心电图 (ECG)、肌电图 (EMG) 或脑电图 (EEG) [11-13]。此外，皮肤电子器件还可以施加精确的物理刺激，用于触觉反馈等应用。

然而，皮肤界面系统面临诸多技术挑战。例如，材料的生物相容性至关重要，以确保长时间接触不会引起皮肤刺激或不适[14]。此外，基底材料（通常为硅基材料）透气性较差，会阻碍皮肤水分的自然散发[15]。更重要的是，关键挑战在于如何在保持器件整体柔韧性的同时，实现多个传感器的稳定、无约束的集成和封装。

1.2.2 纺织品集成可穿戴系统

纺织品集成可穿戴系统，也称为智能纺织品或电子纺织品，是一种将电子功能集成到日常穿着的织物中的替代方法，如图 1.1b 所示 [16, 17]。智能纺织品并非追求与皮肤的完全贴合，而是将传感器、执行器、控制单元或通信模块等组件以纤维、纱线或织物本身的形式无缝集成到日常服装（例如 T 恤、手套、袜子）中 [18, 19]。纺织品集成可穿戴系统的优势在于穿着体验舒适无感，且用户接受度高，因为电子功能自然地融入用户的着装，无需额外的设备。因此，智能纺织品适用于需要大面积分布式监测或长期无意识数据采集的应用 [20]。此外，纺织品固有的特性，如透气性、柔软性和保暖性，可以为各种使用场景下的可穿戴设备提供理想的基材。

然而，智能纺织品也面临着一些特殊的挑战。例如，集成到织物中的电子元件必须能够承受日常穿着过程中反复的拉伸、弯曲、摩擦，甚至洗涤循环而不发生故障[21]。此外，人体运动时织物与皮肤之间的相对运动会影响信号的稳定性和准确性。因此，一项核心研究目标是将高性能传感器与具有优异机械强度的功能性纺织材料融合，从而开发出实用且集成于织物中的可穿戴系统，供日常使用。