学术研究报告：多功能多刺激响应自供电水凝胶用于皮肤模拟与能量收集

第一作者及机构

本研究由Linbin Li、Xuechuan Wang*（通讯作者，陕西科技大学化学与化工学院生物质与功能材料研究所）、Wei Wang、Wenlong Zhang等合作完成，国际合作者包括加拿大Lakehead University的Pedram Fatehi。研究成果发表于期刊*Advanced Functional Materials*（2025年，DOI: 10.1002/adfm.202518604）。

学术背景

科学领域：柔性电子、仿生材料与自供电传感。
研究动机：人工皮肤（ionic skins, i-skins）需模拟天然皮肤的机械性能、多刺激响应（压力、温度、湿度）及离子信号传导能力，但现有材料面临三大挑战：
1. 缺乏刺激强度依赖的信号持续时间（如疼痛信号的延迟衰减）；
2. 多模态传感集成困难；
3. 环境稳定性不足（机械强度低、易冻结、水分蒸发快）。
研究目标：开发一种基于氢键和聚两性电解质网络的自供电水凝胶，兼具高强度、抗疲劳、透明性、粘附性、抗冻性，并实现压力-温度-湿度的三模态信号响应。

研究流程与方法

1. 水凝胶设计与制备

• 材料组成：以明胶（gelatin）、水/甘油（water/glycerol）为基质，与丙烯酸（acrylic acid, AA）和1-乙烯基-3-己基咪唑溴盐（[hvim]Br）共聚形成聚两性电解质网络（p(AA-co-[hvim]Br)）。
  
• 制备方法：UV引发自由基原位聚合，交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBAa），引发剂为α-酮戊二酸。
  
• 表征技术：
  
  • FTIR与XPS：证实氢键（3200–3500 cm⁻¹）和静电相互作用（咪唑阳离子与羧酸根结合）。
    
  • 力学测试：拉伸应变达1759%，压缩应变90%，弹性模量24.04 kPa。
    
  • 抗冻性：甘油降低水分子氢键强度（Raman光谱验证），DSC显示无冰晶形成（-80°C至20°C）。
    

2. 压电离子机制与性能

• 原理：压力导致Br⁻离子定向迁移，产生电压信号；高压下聚两性电解质链形成离子键，延迟离子回迁，电压衰减时间延长（500 kPa时达35秒）。
  
• 实验验证：
  
  • 压力灵敏度（0.76 mV/N），输出功率37.64 nW（50 N负载）。
    
  • 通过不同形状压头（长方体vs圆柱体）验证几何依赖性信号差异（电压差4倍）。
    
• 机器学习应用：全连接神经网络（FCNN）识别接触形状，准确率98.2%。
  

3. 热电与湿度传感

• 热电机制：温度升高促进羧酸电离（─COOH → ─COO⁻ + H⁺），H⁺沿温度梯度迁移，灵敏度1.56 mV/K。
  
• 湿度传感：甘油吸湿破坏氢键，建立离子浓度梯度，灵敏度1.13 mV/%RH（10–90%RH）。
  
• 应用演示：呼吸监测（睡眠呼吸暂停综合征信号识别）、机器人热感知（-15°C至45°C响应）。
  

主要结果与逻辑关联

• 力学性能：高拉伸/压缩性源于动态氢键和离子键的能量耗散（图3a-f）。
  
• 压电信号：衰减时间与压力正相关，模拟皮肤疼痛延迟（图5f-h）。
  
• 环境稳定性：甘油使7天后水保留率88%（图4i），-25°C下仍保持导电性（图S10）。
  
• 多模态集成：单一材料同时输出压力、温度、湿度信号（图S28-S29）。
  

结论与价值

科学价值：
1. 提出“压力-衰减时间”映射新机制，填补人工皮肤在信号持续时间调控的空白；
2. 通过聚两性电解质网络设计实现多刺激响应集成。
应用价值：
- 人机交互（机器人触觉反馈）、医疗监测（呼吸/温度传感）、自供电能源（长时能量收集）。

研究亮点

1. 创新机制：首次将电压衰减时间作为压力强度的敏感指标，模拟皮肤痛觉；
   
2. 材料设计：氢键/离子键协同提升力学与环境稳定性（透明度96%，粘附强度75 kPa）；
   
3. 多功能集成：单一材料实现三模态传感，无需复杂器件架构。
   

其他价值

• 生物相容性：48小时皮肤接触无炎症（图S30）；
  
• 算法支持：FCNN模型为柔性传感的智能识别提供范例。
  

（全文共计约1500字）