仿生柔性皱纹应变传感器及其水加速自愈合能力用于水下探测与运动交互

作者与发表信息

本研究由山东科技大学材料科学与工程学院特种环氧树脂山东省重点实验室的Hao Li、Jiaqi Liu、Lingkun Yan、Xinxin Wang、Jian Tian、Qingzhong Xue，以及吉林大学仿生工程教育部重点实验室和仿生科学与工程学院的Yanlong Shao、Yue Jiang、Zhihui Zhang、Luquan Ren，还有辽宁材料研究院结构与构筑材料研究所的Zhihui Zhang等人合作完成。通讯作者为Jian Tian和Zhihui Zhang。该研究于2026年5月13日投稿，2026年7月3日修订，2026年7月30日被接收，发表在*Advanced Materials*期刊上，论文编号为e74573。

研究背景与目的

柔性传感器在水下应用领域具有巨大潜力，包括水下状态监测、流场监测、水下预警和未知环境导航等。与传统刚性传感器相比，柔性传感器具有优异的可变形性、高灵敏度和低能耗等优势。然而，水下环境复杂且不可预测，柔性传感器极易遭受意外机械损伤和性能退化，这对水下探测和运动交互的实时精准感知构成了重大挑战。因此，赋予柔性传感器自愈合能力以恢复功能并确保长期稳定性成为迫切需求。

人类皮肤的表面皱纹和微突起能够优化触觉感受器的感知性能，并在损伤后快速重建表面形貌和功能完整性，这为在复杂环境中同时实现传感器的稳定性和高灵敏度提供了灵感。然而，当前基于氢键、离子相互作用和金属配体配位等非共价键的自愈合材料在水中不稳定，自愈合能力被削弱；水分侵入还会导致信号中断和短路，降低导电性和稳定性。此外，现有的微结构制备方法，如光刻、3D打印、磁场诱导、模塑和浇铸等，普遍存在工艺复杂、设备依赖性强、可扩展性有限等问题。因此，开发一种简单可扩展的策略，在柔性基底上生成具有水下自愈合能力的稳定皱纹微结构，成为亟待解决的难题。

本研究旨在模仿人类皮肤的结构和功能，提出一种具有水加速自愈合能力的仿生柔性皱纹应变传感器，以同时解决水下环境中高灵敏度、可变形性和长期稳定性的综合挑战。

研究流程与实验方法

研究首先合成了基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）和硼酸（BA）的柔性聚硼硅氧烷（PBS）材料。该材料具有动态硼酸酯键，能够在水下通过水解-再酯化反应实现自主自愈合。研究测试了PBS在室温（约25°C）下于水下和空气中的自愈合能力：明显划痕在水下18分钟内完全愈合，而在空气中需要22分钟；水下自愈合长度在10分钟后达到峰值6.99 mm，而空气中20分钟仅增至3.69 mm。PBS在自愈合40分钟后几乎恢复了原始力学强度，水下断裂伸长率的自愈合效率达83.24%，空气中为81.63%。

随后，将多壁碳纳米管（MWCNT）和石墨烯纳米片（GNP）引入PBS中构建复合导电网络。制备流程如下：将BA分散于异丙醇溶液中，加入PDMS后在60°C下磁力搅拌30分钟；然后将1 wt.% MWCNT和0.5 wt.% GNP分散于正己烷中，与固化剂一起加入前驱体溶液，超声处理1小时以防团聚；在110°C下以1000 rpm搅拌1小时以消除范德华力；将混合物涂覆于玻璃基底上，再次喷涂MWCNT/GNP混合物于表面；使用羊毛辊（0.5 kg）进行力驱动羊毛螺旋调控，利用摩擦电场力（Fe）和纳米颗粒增强毛细管力（Fc）的深度耦合促进微结构形成；最后在90°C下固化1小时。高温处理过程中，PBS互穿异质网络因热应力产生非均匀屈曲，释放热应力后形成随机皱纹微结构。所得传感器表面突起直径约140 µm，平均高度70 µm，MWCNT/GNP在突起处聚集。

研究人员通过扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱（Raman）、X射线光电子能谱（XPS）和差示扫描量热法（DSC）等手段对传感器进行了表征。FTIR在1349 cm⁻¹处出现Si-O-B键特征峰，拉曼光谱在约1200 cm⁻¹处显示B-O键峰，XPS在102.18 eV处分解出Si-O-B组分，DSC在21.6°C处出现显著吸热峰，证实了硼酸酯键的成功合成及室温下快速水下自愈合的分子基础。

水下传感性能测试采用自制的水下测试系统，包括X轴线性拉伸滑动平台、控制器（分辨率0.1 mm）、Keithley 2400数字源表和曲线追踪程序。传感器在水下可检测低至0.1%的应变，信噪比达38.04；拉伸时的增益因子（GF）为7.28；在50%/s的应变速率下，平均响应时间为124 ms，恢复时间为112 ms。自愈合后平均响应和恢复时间仅略微增加至131 ms和118 ms。无表面微结构的传感器水下平均响应和恢复时间分别为324 ms和296 ms，自愈合后增至370 ms和351 ms，证明皱纹微结构显著增强了灵敏度。传感器在0.1–5 Hz的水下振动检测中无明显延迟，在浸泡10–60天后性能保持稳定。在空气中，传感器可承受28,000次50%应变拉伸循环和25,000次30%应变压缩循环；在水中和空气中自愈合后均能维持5,000次拉伸载荷-卸载循环的稳定输出。

流场检测实验装置包括上游泵、流量计和长度为0.16 m的管道，中部安装0.02 m截止阀以精确调节流量。传感器在不同水深（0.05、0.10和0.15 m）下检测水压信号，压力信号波动随深度增加而增强。在0.1–2.8 m/s流速范围内，输出响应随流速增加而显著变化：低于1.5 m/s时逐渐上升，高于1.5 m/s后波动加剧；流速接近最大值时输出信号峰值达100%。在0.7 m/s流速下，平均响应时间为97 ms，恢复时间为135 ms。在1.5 m/s流速下，传感器实现了6,000 s的长时间稳定输出。

水下设备运动检测将传感器集成于水下航行器模型。在清水、海水和浑水三种不同流体黏度环境中，信号强度随速度增加呈阶梯式增强，浑水中响应最强，清水中最弱。在0–0.4 m/s航速范围内，输出信号随流速增加而上升，峰值变化达180%。传感器对不同运动状态（前进、后退、上升、下降、左转、右转）超过10次的测试显示出高度独特的波形特征。基于这些信号构建的机器学习分类模型整体识别准确率达97.8%，部分特定运动的准确率达到100%。通过ANSYS有限元分析（FEA）模拟了0.1–0.4 m/s和0.7–2.8 m/s流速范围内传感器表面的压力分布，建立了模拟表面压力与传感器相对电阻变化之间的定量关联曲线，揭示了流体压力与流速之间显著的非线性正相关关系。

水下人体运动检测将传感器集成到可穿戴设备中，贴附于手指、手腕、肘部、肩部、膝盖、前脚掌和后脚掌等部位，清晰记录了各部位弯曲产生的独特电阻信号。传感器可检测面部肌肉的吹气动作、喉咙振动、皱眉和头部后仰等微小变形。基于机器学习算法和深度卷积网络（CNN）构建的智能手势识别系统，使用500个样本数据集的60–85%进行训练，经过50次迭代后训练准确率达99.85%，测试准确率达97.5%；混淆矩阵显示整体准确率97.5%，其中手势1、4、5、6、D、W和Y的识别准确率均达100%。

主要实验结果

PBS材料的水下自愈合能力显著优于空气中：水下18分钟完全愈合明显划痕，空气中需22分钟；水下自愈合效率83.24%略高于空气中的81.63%。该水加速自愈合机制源于硼酸酯键的可逆水解-再酯化反应：水分子渗透到断裂面后，暴露的硼酸酯键水解生成硼酸和二醇，随后参与再酯化反应重新形成硼酸酯键；而过量水会导致完全水解，阻碍再酯化。PBS与纳米材料的协同疏水性降低了水分子渗透速率，延缓了水解和再酯化反应的开始，从而实现了比空气中更快的自愈合速率。

MWCNT/GNP-PBS（MG-PBS）传感器表面形成了直径约140 µm、平均高度70 µm的随机皱纹微结构，C元素在突起处聚集。与仅含MWCNT或GNP的表面相比，MWCNT与GNP共存时，MWCNT作为点随机分布，GNP形成层状突起，高温处理后形成独特的皱纹微结构。该制备方法简单、低成本，与其他微结构柔性传感器的制备方法相比具有显著优势。

MG-PBS传感器在水下40分钟内完成明显划痕的自愈合（空气中60分钟），在3.5°C低温下约70分钟完成。水下断裂伸长率恢复至160%（空气中150%），水下自愈合效率86.99%高于空气中的84.32%。LED串联测试显示，传感器在遭受锋利金属铜箔损伤后，LED亮度在8分钟内完全恢复，验证了快速水下自愈合能力和传感性能的恢复。

水下传感测试表明，传感器检测低至0.1%的应变，GF为7.28，平均响应时间124 ms、恢复时间112 ms。与已报道的同类材料水下柔性传感器（响应和恢复时间多超过200 ms）相比具有明显优势。皱纹微结构的存在使响应速度显著提升——有微结构的传感器响应时间324 ms，无微结构的为324 ms，而皱纹结构将响应时间缩短至124 ms。

传感机制方面，MWCNT/GNP导电网络在机械应力下发生位移并形成新的导电路径，改变整体电阻。MWCNT的本征电阻远低于接触电阻，因此接触电阻的变化主导了传感响应。一维MWCNT网络通过线-线接触改变电阻，而层状GNP实现线-面接触，促进MWCNT互连并提高电子传输效率。皱纹微结构在压缩时增加接触面积，进一步增强了灵敏度。

结论与价值

本研究成功开发了一种基于水下自愈合机制的仿生柔性皱纹应变传感器。该传感器通过动态硼酸酯键的水下水解-再酯化反应实现水加速自愈合，明显划痕后40分钟内完全水下自愈合，水下损伤后8分钟即可恢复可用输出，建立了”检测-损伤-恢复-再检测”的运行循环。传感器结合了水加速自愈合能力、高灵敏度（GF=7.28）、快速动态响应（平均响应时间124 ms，恢复时间112 ms）和长期水下运行稳定性（自愈合后5,000次循环，水下浸泡60天）。

在实际水下应用中，传感器能够连续输出稳定信号，灵敏检测局部流场强度及其演变趋势，高保真捕捉生物信号并分析复杂手势。其仿生微结构通过形变放大并稳健传递流体动力学扰动，水下自愈合能力确保了在高温、高扰动和脆弱环境中的功能连续性。该研究为水下机器人长期高灵敏度状态监测和防水人机界面提供了潜在的解决方案，在柔性电子、人机交互和智能设备领域具有重要的应用前景。

研究亮点

本研究的核心创新在于：第一，提出了一种力驱动羊毛螺旋调控结合高温诱导的简单可扩展方法，成功在柔性基底上制备了随机皱纹微结构，避免了传统微结构制备方法的复杂性和设备依赖性；第二，利用硼酸酯键的水解-再酯化反应实现了水加速自愈合，与大多数依赖干燥或加热条件的传统自愈合传感器相比，该传感器在水生环境中具有天然优势；第三，MWCNT与GNP的协同导电网络结合皱纹微结构，显著提升了传感器的灵敏度，使响应和恢复时间远优于同类已报道的水下柔性传感器；第四，通过LED可视化验证、水下航行器模型、流场检测、人体运动监测和机器学习手势识别等多层次应用演示，全面验证了传感器的实用性和可靠性。