東北大學田野團隊AFM：水凝膠電子皮膚研究進展：從材料設計到多功能應用

皮膚作為人體最大的器官，憑借其復雜的結構與多元的感知功能，為科學研究提供了持續的靈感。表皮層作為有效屏障保護體內組織免受外界損傷，同時具備再生修復能力；真皮層賦予皮膚低彈性模量，搭配各類功能結構與感覺感受器；皮下組織則發揮保溫與緩沖作用。除防護功能外，皮膚還承擔著關鍵的感知職能，兼具高機械強度、強抗菌性與優異的觸覺感知能力等核心特性。受人體皮膚啟發，電子皮膚應運而生，其核心是模擬天然皮膚的物理、化學及感知特性，逐步具備單一或多重感知能力。隨著研究深入，電子皮膚已超越單純模擬或替代人體皮膚感知功能的范疇，在部分領域甚至實現了性能突破。憑借良好的柔韌性，電子皮膚可輕松貼合人體或機器人的各類部位，其類皮膚的仿生結構使其在智能可穿戴設備、軟體機器人、人機交互等領域具備廣闊應用前景，能夠響應壓力、溫度、應變等感知信號，助力機器實現環境感知，提升人機交互的效率與靈活性。為在保持柔韌性的同時實現功能化，傳統電子皮膚常采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚氨酯（PU）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等作為基底材料，依托其柔軟、可彎曲及絕緣特性構建基礎結構，并搭配液態金屬、納米導電材料、導電聚合物等增強導電信號輸出。但這類材料固有屬性固定，難以實現更具多樣性的功能設計，存在明顯應用局限。

近年來，水凝膠憑借其三維聚合物網絡結構可容納大量水分的獨特優勢，成為柔性電子皮膚領域的研究熱點。其具備類組織特性與靈活的設計空間，可根據實際需求調控機械韌性、電學性能及黏附性能，不僅自身特性可精準調節，還能通過結構設計融入各類材料，整合其他物質的功能優勢。這些特質使水凝膠能夠有效搭建傳統剛性機械與柔軟濕潤生物組織間的橋梁，提供長期、可靠、高效的界面連接，推動其在多個領域的技術突破。目前，水凝膠電子皮膚已在運動監測、健康監測、疾病預警等場景中獲得廣泛應用，展現出傳統材料難以企及的多功能性。但與此同時，該技術仍面臨諸多核心挑戰：其一，水凝膠缺乏動態水分補給能力，長期使用中易失水導致力學性能、離子導電性等發生顯著變化，影響傳感可靠性、信號質量及皮膚黏附穩定性，如何維持其長期柔軟度、保水性與性能穩定性是關鍵難題；其二，由于常與人體表面或組織器官直接接觸，材料選擇與制備過程中的化學修飾需兼顧生物相容性與環境安全性，組成材料及交聯劑的細胞毒性評估至關重要，殘留單體、光引發劑等可能引發炎癥反應，限制了材料選用與交聯工藝優化；其三，如何賦予水凝膠人體組織的動態再生與自修復能力，仍是該領域極具價值的研究方向，這一特性對可穿戴設備及植入式生物電子器件的可持續應用至關重要。

盡管現有研究對電子皮膚已有較多探討，但針對水凝膠在電子皮膚應用中的發展演進、獨特優勢、核心挑戰及未來前景，仍缺乏全面系統的梳理總結。本綜述首先考察了水凝膠材料的制備方法和潛在的機制，然后討論了水凝膠基電子皮膚的材料設計策略，總結了該領域的最新發展和功能化的新趨勢，特別強調了智能可穿戴設備，軟機器人和人機界面的應用。最后，討論了在提高材料性能和擴大應用領域方面的挑戰。這篇綜述旨在為水凝膠領域的研究人員提供新的功能化方法，為領域內研究者提供功能化設計的新思路，對推動跨學科創新與技術突破具有重要意義。

圖文導讀：

圖1. 水凝膠電子皮膚技術在智能可穿戴設備、人機交互及軟體機器人中的應用。

圖2. 物理交聯水凝膠的設計策略與關鍵性能。(a) Gel-Mic-PAAm-MXene 水凝膠的合成示意圖。(b) 涂層水凝膠的保水性能：不同涂層策略下 PVA 和 BC 水凝膠的重量變化及對比分析。(c) 通過調控 PHH 水凝膠的氫鍵網絡，可獲得與人體皮膚組織匹配的彈性模量。(d)離子水凝膠設計。 (e) 殼聚糖與多金屬氧酸鹽（POM）之間的可編程相互作用，用于制備具有動態行為的增強型水凝膠。 (f) 簡化陰離子霍夫梅斯特序列的示意圖及不同霍夫梅斯特效應影響下的孔結構掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。

圖3. 化學交聯水凝膠的設計策略與關鍵性能。(a) 皮膚的示意圖，其本質是一種細胞外基質連接的細胞膜區室化水凝膠，具有高力學強度、強效抗菌能力和強大的免疫活性。(b) 用于構建高活性水凝膠平臺的光 - 酶耦合可逆性。 (c) 具有雙網絡結構的 AGA-CMC 水凝膠的制備。 (d) 席夫堿與鐵 - 鄰苯二酚雙交聯多功能水凝膠的設計策略示意圖。 (e) pH 對通過動態硫代邁克爾加成鍵交聯的水凝膠性能的影響。

圖4. 水凝膠的力學性能。(a) 全木水凝膠的拉伸應力 - 應變曲線、拉伸過程中的纖維斷裂現象及該狀態下的拉伸機制 。 (b) PAM 單網絡（SN）水凝膠和明膠 / PAM 雙網絡（DN）水凝膠的拉伸應力 - 應變曲線。 (c) 用無機網絡替代雙網絡水凝膠中的一層有機網絡，顯著提升了其力學性能。 (d) 圓形 Ca-PAA-SA-CNTs 水凝膠的切割與自修復過程，以及以二極管為指示劑的相應自修復過程驗證。 (e) 通過調節液態金屬（LM）與 PVA 的質量比調控 PVA 水凝膠的力學性能。

圖5. 水凝膠的電學性能與生物相容性。(a) PAM-DA@CMC-MXene 水凝膠的網絡結構，以及原始水凝膠與儲存 30 天后水凝膠的靈敏度對比分析。 (b) PAVBM-3 水凝膠的不對稱粘附結構及其在 0%–600% 拉伸應變下的靈敏度。 (c) 通過動物皮膚測量表征電極 - 皮膚接觸阻抗的等效電路模型。 (d) CCK-8 實驗的統計數據及活 / 死染色圖像。 (e) C-Gel、S-Gel、P-Gel及紗布在 BALB/c 小鼠皮下植入 1 周后的H&E染色圖像。黑色箭頭指向細胞核呈藍色染色的炎癥細胞。

圖6. 生理狀態監測的智能可穿戴應用。(a) 聚酯（PEST）與各種波紋表面基材之間的自粘附機制示意圖，以及實時熱響應電流與連續溫度的對比。 (b) 可穿戴應變傳感器和溫度傳感器用于監測人體運動及檢測異常高體溫。 (c) 離子電滲（IP）電極刺激 pH 響應型抗菌超分子水凝膠產生汗液的照片。 (d) 志愿者佩戴智能口罩時正常呼吸、停止呼吸及深呼吸狀態下傳感器的電流變化。 (e) 嵌入柔性氧氣傳感器并可向手機無線傳輸信號的智能口罩示意圖。

圖7. 用于健康監測與疾病診斷的水凝膠基電子皮膚。(a) 商用電極與水凝膠設備在正中神經（i，病例 7）和橈神經（ii，病例 9）中記錄的肌電活動對比。 (b) 應用于志愿者手臂的無創在體血糖監測系統示意圖，同步進行指尖采血血糖測量以驗證準確性。(c) 正常心臟與心肌梗死心臟的心臟應變傳感器記錄，以及對應的 SD 大鼠心臟非梗死區和梗死區時間激活模式的心外膜激活圖。 (d) 用于協同心臟力學生理監測與電耦合治療的時序粘附水凝膠貼片（CAHP）示意圖。 (e) 利用 PDA@PD-PAM 水凝膠進行癌癥檢測的傳感器示意圖。 (f) PD-MX/TiO 水凝膠傳感器體外檢測癌細胞的示意圖。

圖8. 用于軟體機器人的水凝膠基電子皮膚。(a) 多種機器人皮膚材料的熱穩定性和溫度分布分析：純彈性體、明膠水凝膠及納米復合材料增強型（GO/H、MMT/H、MXene/H）彈性體系統在 50℃下的失重動力學，以及 100℃機械應變下的表面溫度分布。(b) 水凝膠與線纜驅動連續體機器人基底之間的粘附機制及彎曲角度檢測。 (c) 柔性致動器集成雙水凝膠傳感器：一個是置于致動器尖端的接觸傳感器，另一個是曲率傳感器。 (d) 傳感型水凝膠皮膚被機械臂探測，同時通過位于其邊緣的電極進行一系列測量。

圖9. 用于人機交互的水凝膠基電子皮膚。(a) 表征 “HELLO” 手勢的電阻隨時間變化曲線。(b) 基于 MXene 水凝膠的可穿戴手語 - 漢字轉換設備。(c) 肌電圖、肌電圖 - 力肌圖及雙肌電模塊的動作意圖解碼性能對比，以及康復手套系統在輔助主動康復應用中意圖驅動手部動作的功能演示。 (d) 五指動作的單獨手勢及對應的響應曲線。 (e) 信息加密與解密設計原理示意圖。

該工作以“Advances in Hydrogel-Based Electronic Skins: From Material Design to Multifunctional Applications”為題發表在國際知名期刊《

Advanced Functional Materials

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文章鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202527525