天津大学宋健教授/郑州轻工业大学刘春森教授团队《Small》近期成果:超分子-聚合物双网络低共熔凝胶,赋能穿戴式人机交互传感器
1. 研究背景
穿戴式柔性传感器是人机交互、健康监测等领域的核心器件，但传统凝胶基传感器存在三大痛点：环境稳定性差（易失水、低温易冻结）、自修复与粘附性能不足、机械强度与导电性难以兼顾。这些局限导致传感器在动态复杂环境中易失效，无法满足长期穿戴与精准信号传输需求。亟需开发兼具快速自修复、强粘附、宽温域耐受与高传感性能的凝胶材料，填补穿戴式人机交互传感器的技术空白。
针对这一痛点，天津大学宋健教授与郑州轻工业大学刘春森教授团队提出超分子-聚合物双网络（SP-DN）设计策略，研发出叶酸（FA）/聚[2-（甲基丙烯酰氧基）乙基]二乙基-（3-磺丙基）铵盐（PMAEDS）低共熔凝胶。该凝胶以深共熔溶剂（DES）为分散介质，集成快速自修复、强粘附、宽温域耐受等多功能特性，为高性能穿戴式传感器提供全新材料方案。
2. 核心研究成果
（1）创新结构与技术设计：构筑多功能体系
材料与制备工艺：凝胶采用“超分子网络+聚合物网络”双网络结构，FA通过分子间氢键、π-π堆积及锌离子配位形成超分子网络，PMAEDS通过紫外光聚合形成两性离子聚合物网络；分散介质为氯化胆碱（ChCl）-乙二醇（EG）深共熔溶剂，避免传统水凝胶的失水问题（论文1 2.1节）；
核心机制：FA超分子网络赋予凝胶快速自修复与强粘附性能，PMAEDS聚合物网络提供机械支撑与离子传导通道；DES体系中的氢键与各组分间的静电作用、配位作用协同，实现网络的刚性-柔性互补（论文1 Fig. 1a、2e；2.1-2.2节）；
多功能集成：无需额外功能层，通过双网络协同与DES特性，同步实现快速自修复、强粘附、宽温域耐受、高导电性与机械柔韧性（论文1 Scheme 1；2.1节）。
（2）关键性能突破：传感与环境适应性双优
核心基础性能：拉伸应变达465%，应力11.5 kPa；离子电导率4.79 mS·cm⁻¹，远高于单一PMAEDS凝胶（1.31 mS·cm⁻¹）； gauge factor（GF）达4.32（80%-120%应变区间），响应时间仅200 ms（论文1 Fig. 2a、4a、d；2.2-2.3节）；
自修复与粘附性能：10秒内即可完成快速自修复，机械自修复效率约80%，电学自修复效率超90%；对金属、玻璃、木材、皮肤等多种基材具有强粘附性，铁基材粘附强度达16.18 kPa，且可重复粘附（论文1 Fig. 2e-f、3d；2.2节）；
宽温域与环境稳定性：在-30℃至60℃范围内保持柔性与性能稳定，-30℃时电导率仍达0.82 mS·cm⁻¹，60℃时达9.21 mS·cm⁻¹；空气中存放100小时重量保留率90.1%，远优于传统水凝胶（55.3%）（论文1 Fig. 1e、2c；2.2节）；
耐用性：经100次100%应变循环拉伸后，电阻变化稳定；重复粘附10次后，粘附强度无明显衰减（论文1 Fig. 4f、S17；2.3节）。
（3）多场景应用落地：覆盖核心需求
人体运动监测：传感器可直接粘附于手指、手腕、额头等部位，实时捕捉手指弯曲（0°-120°）、手腕多方向弯曲、皱眉等动作信号，区分不同运动幅度与方向（论文1 Fig. 4g-i；2.3节）；
人机交互：将传感器集成于手指、手腕、肘部，通过运动产生的应变信号驱动机械臂完成对应动作（手指开合、手腕旋转、肘部弯曲），实现精准远程操控（论文1 Fig. 5；2.3节）；
复杂环境适配：在-30℃低温与60℃高温环境下，仍保持稳定的传感性能，可适配不同温域的穿戴场景（论文1 Fig. S21；2.3节）。
3. 图文导读
topic图FA/PMAEDS SP-DN共析凝胶的结构、性能和应用示意图
图1 技术原理与材料特性
图2 材料自愈合特性
图3 材料黏附特性
图4 材料性能测试
图5 人机交互应用展示
4. 总结：应用价值与未来展望
（1）核心应用价值
1. 穿戴式人机交互：用于机械臂远程操控、VR/AR设备等场景，通过捕捉人体运动信号实现精准人机联动，粘附性能确保信号传输稳定；
2. 人体运动监测：为康复训练、运动分析提供实时数据支撑，可监测手指、手腕、颈部等多部位运动，适配不同运动强度；
3. 复杂环境穿戴：宽温域耐受特性使其可在低温户外、高温作业等特殊环境中使用，解决传统传感器的环境适配局限。
（2）未来优化方向
未来可以进一步优化凝胶的力学强度与长期循环稳定性；探索传感器的阵列化集成，提升多通道信号采集能力；拓展在多模态传感（压力、温度）与更复杂人机交互系统中的应用，推动穿戴式柔性电子器件的工程化落地。
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