寧波材料所陳濤課題組AM：高透明、導電離子皮膚助力水下機器人實現“隱身”與智能感知

水下軟體電子器件在海洋資源勘探中扮演著關鍵角色，其發展對于推動海洋探索至關重要。然而，當前的水下偽裝電子皮膚面臨著嚴峻挑戰：如何在復雜的水生環境中同時實現高導電性、優異光學透明度以及高感知靈敏度，是制約其實際應用的主要瓶頸。

近日，寧波材料所陳濤研究員、肖鵬研究員、黎姍助理研究員成功開發出一種基于超分子耦合效應增強的疏水性氟化聚合物離子凝膠。該材料兼具高透明度（96.38%）和提升的離子電導率（1.74 mS cm?1）。研究團隊進一步提出一種懸浮式三維變形機制，構建了具有超高水下靈敏度（≈2.9 Pa）的偽裝皮膚，使其能夠捕捉流場梯度、追蹤生物運動并精確定位擾動源。作為演示，該離子凝膠電子皮膚被集成到受海豚啟發的無纜機器人中，展示了危險感知、決策與自主避障的閉環控制能力，為水下仿生電子與智能機器人技術展現了廣闊前景。相關論文以“Supramolecular Coupling Effect Enhanced Highly Transparent, Conductive Ionic Skin for Underwater Sensory and Interactive Robotics”為題，發表在

Advanced Materials

這項研究的核心在于巧妙的分子設計與結構創新。如示意圖1所示，研究人員通過紫外線引發聚合，將含叔丁基的丙烯酸酯（t-BuA）與六氟丁基丙烯酸酯（HFBA）單體與離子液體結合，制備出離子凝膠。其設計原理（圖1a）在于利用HFBA中氟原子與離子液體陽離子之間的強離子-偶極相互作用，以及t-BuA中叔丁基與陰離子之間的氫鍵，共同調控離子遷移行為。這種超分子耦合效應不僅賦予了材料極高的可見光透過率（圖1b-d），通過調整單體比例可靈活調控透明度（圖1c），還顯著提升了離子電導率（圖1f），在同類材料中表現突出（圖1g）。紅外光譜分析（圖1e）證實了聚合物側鏈與離子液體之間存在的超分子相互作用。

示意圖1. 隱形離子凝膠及其懸浮式智能水下應用設計。 a) 聚合物離子凝膠的制備過程與傳感機制。b) 通過氫鍵調控氟化聚合物網絡中離子遷移的機理示意圖。c) 聚合物離子凝膠傳感器的懸浮結構與三維變形示意圖。d) 基于懸浮離子凝膠的水下自主避障傳感器系統，包括水流感知、信號處理與自主轉向。

圖1. 可調電學性能與相互作用機制。 a) 聚合物鏈與離子液體之間的相互作用。b) 聚合物離子凝膠（1毫米厚）在可見波長范圍（400-800納米）內的透射光譜。c) 不同配比下聚合物離子凝膠（1毫米厚）的透明度照片。d) 聚合物離子凝膠的光學照片，顯示出卓越的透明度。e) 離子凝膠的紅外光譜。f) 不同配比下聚合物離子凝膠的離子電導率。g) 不同離子凝膠體系下的離子電導率對比。

為了深入理解離子傳導機制，研究團隊進行了理論模擬。圖2的靜電勢分布圖和密度泛函理論計算表明，t-BuA和HFBA分子具有不同的電荷分布。吸附能計算（圖2c, d）顯示，[TFSI]?陰離子與兩個t-BuA分子的結合更強，而[EMIM]?陽離子與HFBA的結合能與之相當。更重要的是，在HFBA與t-BuA共存的混合體系中（圖2e），陰陽離子之間的直接相互作用被顯著削弱，離子更易于在電場作用下解離并遷移，從而解釋了離子電導率提升的微觀機理（圖2f）。

圖2. 離子傳導機制。 a) t-BuA和HFBA分子的靜電勢分布圖。b) t-BuA-[TFSI]?、t-BuA-[TFSI]?-t-BuA 和 HFBA-[EMIM]? 體系的密度泛函理論計算。c) t-BuA/[TFSI]?、t-BuA/[TFSI]?/t-BuA 和 HFBA/[EMIM]? 吸附能對比。d) t-BuA/[TFSI]?、t-BuA/[TFSI]?/t-BuA 和 HFBA/[EMIM]? 的優化構型。e) 在混合環境中，陰陽離子對在純HFBA、純t-BuA以及混合HFBA/t-BuA上的模擬吸附能。f) 離子遷移機制示意圖。

受自然界生物（如河豚、青蛙）表皮形態變化能力的啟發，研究團隊開發了基于離子凝膠的懸浮式集成器件（圖3a, b）。這種懸浮結構能夠實現可控的三維大變形。如圖3c所示，隨著壓力從0增至400 Pa，離子凝膠的面積應變從0%急劇增加到1027.5%，展現出高拉伸性和低模量特性。通過數字圖像相關技術重建的變形過程（圖3d）和實時高度追蹤（圖3e）證實了其穩定、可重復的變形能力。同時，器件的相對電阻變化（ΔR/R?）與面積應變隨壓力增加呈非線性增長（圖3f, g）。有限元分析進一步印證了應變與壓力的正相關性。此外，在不同直徑的懸浮器件上施加相同壓力時（圖3h），直徑更小的傳感器因承受更高的機械應變而產生了更大的電阻響應，凸顯了結構設計對靈敏度的影響。

圖3. 三維變形與懸浮感知性能。 a) 懸浮離子凝膠三維變形照片。b) 聚合物離子凝膠的結構與三維變形機制示意圖。c) 壓力誘導的三維變形過程照片。d) 通過數字圖像相關技術進行的凸起高度分布分析。e) 氣動變形過程中的凸起高度追蹤。f) 在驅動壓力下的面積應變與ΔR/R?變化。g) 氣動驅動過程中ΔR/R?隨時間變化曲線。h) 不同直徑懸浮傳感器的電學性能比較。

該離子凝膠傳感器展示了可靠的電學與傳感性能（圖4）。在0-100%的應變范圍內，其電阻響應穩定（圖4a）。得益于疏水結構設計，離子凝膠在鹽水浸泡7天后，電導率與傳感信號（ΔR/R?）僅輕微下降，表現出卓越的水下穩定性（圖4b, c）。經過2000秒的循環拉伸測試，其電阻響應衰減幾乎可以忽略，證明了出色的抗疲勞特性（圖4d）。與無懸浮結構的傳感器相比，懸浮式離子凝膠傳感器（SIGS）對水流信號的響應靈敏度提高了約2.83倍（圖4e），并能實現與頻率相關的響應（圖4f）。SIGS能夠快速響應人工波浪，精確定位不同距離的振動源（圖4g），甚至能檢測到水滴跌落產生的微小壓力變化（ΔP ≈ 7.58 Pa）（圖4h, i）。其靈敏度在目前已報道的水下透明凝膠傳感器中處于領先地位（圖4j）。

圖4. 離子凝膠傳感器的電學與傳感特性。 a) 聚合物離子凝膠（HFBA:t-BuA = 1:2）在不同應變下的相對電阻變化。b) 聚合物離子凝膠在空氣和鹽水條件下（100%應變）的傳感性能比較。c) 離子凝膠在水浸泡期間的電導率變化。d) 聚合物離子凝膠在2000秒循環拉伸下的相對電阻曲線。e) 在波浪沖擊下，懸浮與非懸浮結構的動態響應對比。f) 懸浮離子凝膠傳感器在周期性流場（0.05–0.2 Hz）下的頻率依賴性響應。g) 在距水泵出口10、20和30厘米三個距離處的流場強度檢測。h) 懸浮離子凝膠傳感器在珠子掉落和人工波浪下的實時電阻響應。i) 水滴沖擊下的相對電阻-時間曲線。j) 與已報道的水下凝膠基傳感器在透明度與檢測極限方面的對比。

除了卓越的感知能力，該離子凝膠還具有強大的水下粘附性能（圖5a-c），能夠牢固粘附于塑料、玻璃、金屬等多種材料表面，即使在水流沖擊下也不易脫落。這種特性使得傳感器可以穩定地貼附在靜態巖石或活體海龜殼等復雜表面進行實時原位監測（圖5g）。結合其優異的光學透明度（圖5d），傳感器能在水下實現視覺偽裝。演示中，SIGS成功檢測到了人體跳躍（21 Pa）、踏步（2.9 Pa）等通過固體介質傳遞的壓力變化（圖5e, f）。集成在海龜殼上的2x2懸浮傳感器陣列，能夠實時監測海龜入水、游泳等行為（圖5h, i），并通過對多通道信號的分析，成功實現了對擾動源位置的定位（圖5j-l）。

圖5. 生物粘附與水下傳感集成平臺。 a) 聚合物離子凝膠的塊體粘附照片。b) 聚合物離子凝膠的水下多基底粘附，包括小番茄、鋼制重物、乒乓球和塑料足球。c) 離子凝膠與各種基底在水下的剝離曲線。d) 懸浮離子凝膠傳感器在水下的光學偽裝照片。e) 跳躍和 f) 踏步的動態事件檢測。g) 懸浮離子凝膠傳感器的生物粘附智能平臺。h) 集成懸浮離子凝膠傳感器系統的海龜用于監測入水和 i) 水下運動。j) 懸浮離子凝膠傳感器陣列照片。k) 通過龜殼上分布式傳感進行物體定位。l) 對動態刺激的同步多通道響應。

最終，研究團隊將這一SIGS系統集成到一個仿生海豚機器人中，構建了一個完整的感知-決策-驅動閉環控制系統（圖6a-c）。該系統能夠實時感知來自左右兩側的水流刺激并分辨方向（圖6d），監測不同流速（圖6e）及自身運動速度（圖6f）。當一側傳感器信號超過設定閾值時（圖6h），控制中心會指令海豚機器人向相反方向轉向，實現自主避障（圖6g, i），整個過程被傳感器完整記錄（圖6j）。這展示了該技術賦予水下軟體機器人卓越環境感知與交互能力的潛力。

圖6. 用于自主避障的、集成懸浮離子凝膠傳感器的自感知仿生海豚系統。 a) 裝備懸浮離子凝膠傳感器系統的自感知仿生海豚照片。b) 自感知仿生海豚在靜水中的照片。c) 懸浮離子凝膠傳感器控制回路系統的工作機制，包括信號采集、處理、放大、傳輸和驅動，實現利用懸浮離子凝膠傳感器對自感知仿生海豚的自動控制。d) 在左側刺激事件中，自感知仿生海豚左/右通道的實時信號輸出。e) 自感知仿生海豚在多流速下的流場敏感性。f) 仿生海豚平臺的自運動速度感知。g) 用于避障應用的自感知仿生海豚示意圖。插圖顯示了控制板，包括電源系統、控制系統、信號接收與傳輸系統。h) 刺激事件期間左/右通道的信號變化，顯示了以2倍速率轉換觸發的閾值。i) 自感知仿生海豚的自主避障導航軌跡。j) 避障過程中，自感知仿生海豚左/右通道的實時信號輸出。

總之，這項研究通過超分子耦合效應與懸浮三維結構設計，成功研制出一種兼具高透明、高導電與超高靈敏度的離子凝膠水下電子皮膚。它不僅能夠靈敏感知水下微小擾動、追蹤生物運動、定位干擾源，更在集成仿生機器人系統中實現了智能閉環控制與自主避障。這項融合了光學偽裝、動態流場感知與生物粘附能力的生物集成系統，為下一代水下軟體機器人、環境交互及海洋探索技術開辟了新的道路。