东北大学田野团队AFM：水凝胶电子皮肤研究进展：从材料设计到多功能应用|东北大学|化学|弹性体|材料|水凝胶|纳米

皮肤作为人体最大的器官，凭借其复杂的结构与多元的感知功能，为科学研究提供了持续的灵感。表皮层作为有效屏障保护体内组织免受外界损伤，同时具备再生修复能力；真皮层赋予皮肤低弹性模量，搭配各类功能结构与感觉感受器；皮下组织则发挥保温与缓冲作用。除防护功能外，皮肤还承担着关键的感知职能，兼具高机械强度、强抗菌性与优异的触觉感知能力等核心特性。受人体皮肤启发，电子皮肤应运而生，其核心是模拟天然皮肤的物理、化学及感知特性，逐步具备单一或多重感知能力。随着研究深入，电子皮肤已超越单纯模拟或替代人体皮肤感知功能的范畴，在部分领域甚至实现了性能突破。凭借良好的柔韧性，电子皮肤可轻松贴合人体或机器人的各类部位，其类皮肤的仿生结构使其在智能可穿戴设备、软体机器人、人机交互等领域具备广阔应用前景，能够响应压力、温度、应变等感知信号，助力机器实现环境感知，提升人机交互的效率与灵活性。为在保持柔韧性的同时实现功能化，传统电子皮肤常采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚氨酯（PU）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等作为基底材料，依托其柔软、可弯曲及绝缘特性构建基础结构，并搭配液态金属、纳米导电材料、导电聚合物等增强导电信号输出。但这类材料固有属性固定，难以实现更具多样性的功能设计，存在明显应用局限。

近年来，水凝胶凭借其三维聚合物网络结构可容纳大量水分的独特优势，成为柔性电子皮肤领域的研究热点。其具备类组织特性与灵活的设计空间，可根据实际需求调控机械韧性、电学性能及黏附性能，不仅自身特性可精准调节，还能通过结构设计融入各类材料，整合其他物质的功能优势。这些特质使水凝胶能够有效搭建传统刚性机械与柔软湿润生物组织间的桥梁，提供长期、可靠、高效的界面连接，推动其在多个领域的技术突破。目前，水凝胶电子皮肤已在运动监测、健康监测、疾病预警等场景中获得广泛应用，展现出传统材料难以企及的多功能性。但与此同时，该技术仍面临诸多核心挑战：其一，水凝胶缺乏动态水分补给能力，长期使用中易失水导致力学性能、离子导电性等发生显著变化，影响传感可靠性、信号质量及皮肤黏附稳定性，如何维持其长期柔软度、保水性与性能稳定性是关键难题；其二，由于常与人体表面或组织器官直接接触，材料选择与制备过程中的化学修饰需兼顾生物相容性与环境安全性，组成材料及交联剂的细胞毒性评估至关重要，残留单体、光引发剂等可能引发炎症反应，限制了材料选用与交联工艺优化；其三，如何赋予水凝胶人体组织的动态再生与自修复能力，仍是该领域极具价值的研究方向，这一特性对可穿戴设备及植入式生物电子器件的可持续应用至关重要。

尽管现有研究对电子皮肤已有较多探讨，但针对水凝胶在电子皮肤应用中的发展演进、独特优势、核心挑战及未来前景，仍缺乏全面系统的梳理总结。本综述首先考察了水凝胶材料的制备方法和潜在的机制，然后讨论了水凝胶基电子皮肤的材料设计策略，总结了该领域的最新发展和功能化的新趋势，特别强调了智能可穿戴设备，软机器人和人机界面的应用。最后，讨论了在提高材料性能和扩大应用领域方面的挑战。这篇综述旨在为水凝胶领域的研究人员提供新的功能化方法，为领域内研究者提供功能化设计的新思路，对推动跨学科创新与技术突破具有重要意义。

图文导读：

图1. 水凝胶电子皮肤技术在智能可穿戴设备、人机交互及软体机器人中的应用。

图2. 物理交联水凝胶的设计策略与关键性能。(a) Gel-Mic-PAAm-MXene 水凝胶的合成示意图。(b) 涂层水凝胶的保水性能：不同涂层策略下 PVA 和 BC 水凝胶的重量变化及对比分析。(c) 通过调控 PHH 水凝胶的氢键网络，可获得与人体皮肤组织匹配的弹性模量。(d)离子水凝胶设计。 (e) 壳聚糖与多金属氧酸盐（POM）之间的可编程相互作用，用于制备具有动态行为的增强型水凝胶。 (f) 简化阴离子霍夫梅斯特序列的示意图及不同霍夫梅斯特效应影响下的孔结构扫描电子显微镜（SEM）图像。

图3. 化学交联水凝胶的设计策略与关键性能。(a) 皮肤的示意图，其本质是一种细胞外基质连接的细胞膜区室化水凝胶，具有高力学强度、强效抗菌能力和强大的免疫活性。(b) 用于构建高活性水凝胶平台的光 - 酶耦合可逆性。 (c) 具有双网络结构的 AGA-CMC 水凝胶的制备。 (d) 席夫碱与铁 - 邻苯二酚双交联多功能水凝胶的设计策略示意图。 (e) pH 对通过动态硫代迈克尔加成键交联的水凝胶性能的影响。

图4. 水凝胶的力学性能。(a) 全木水凝胶的拉伸应力 - 应变曲线、拉伸过程中的纤维断裂现象及该状态下的拉伸机制。 (b) PAM 单网络（SN）水凝胶和明胶 / PAM 双网络（DN）水凝胶的拉伸应力 - 应变曲线。 (c) 用无机网络替代双网络水凝胶中的一层有机网络，显著提升了其力学性能。 (d) 圆形 Ca-PAA-SA-CNTs 水凝胶的切割与自修复过程，以及以二极管为指示剂的相应自修复过程验证。 (e) 通过调节液态金属（LM）与 PVA 的质量比调控 PVA 水凝胶的力学性能。

图5. 水凝胶的电学性能与生物相容性。(a) PAM-DA@CMC-MXene 水凝胶的网络结构，以及原始水凝胶与储存 30 天后水凝胶的灵敏度对比分析。 (b) PAVBM-3 水凝胶的不对称粘附结构及其在 0%–600% 拉伸应变下的灵敏度。 (c) 通过动物皮肤测量表征电极 - 皮肤接触阻抗的等效电路模型。 (d) CCK-8 实验的统计数据及活 / 死染色图像。 (e) C-Gel、S-Gel、P-Gel及纱布在 BALB/c 小鼠皮下植入 1 周后的H&E染色图像。黑色箭头指向细胞核呈蓝色染色的炎症细胞。

图6. 生理状态监测的智能可穿戴应用。(a) 聚酯（PEST）与各种波纹表面基材之间的自粘附机制示意图，以及实时热响应电流与连续温度的对比。 (b) 可穿戴应变传感器和温度传感器用于监测人体运动及检测异常高体温。 (c) 离子电渗（IP）电极刺激 pH 响应型抗菌超分子水凝胶产生汗液的照片。 (d) 志愿者佩戴智能口罩时正常呼吸、停止呼吸及深呼吸状态下传感器的电流变化。 (e) 嵌入柔性氧气传感器并可向手机无线传输信号的智能口罩示意图。

图7. 用于健康监测与疾病诊断的水凝胶基电子皮肤。(a) 商用电极与水凝胶设备在正中神经（i，病例 7）和桡神经（ii，病例 9）中记录的肌电活动对比。 (b) 应用于志愿者手臂的无创在体血糖监测系统示意图，同步进行指尖采血血糖测量以验证准确性。(c) 正常心脏与心肌梗死心脏的心脏应变传感器记录，以及对应的 SD 大鼠心脏非梗死区和梗死区时间激活模式的心外膜激活图。 (d) 用于协同心脏力学生理监测与电耦合治疗的时序粘附水凝胶贴片（CAHP）示意图。 (e) 利用 PDA@PD-PAM 水凝胶进行癌症检测的传感器示意图。 (f) PD-MX/TiO 水凝胶传感器体外检测癌细胞的示意图。

图8. 用于软体机器人的水凝胶基电子皮肤。(a) 多种机器人皮肤材料的热稳定性和温度分布分析：纯弹性体、明胶水凝胶及纳米复合材料增强型（GO/H、MMT/H、MXene/H）弹性体系统在 50℃下的失重动力学，以及 100℃机械应变下的表面温度分布。(b) 水凝胶与线缆驱动连续体机器人基底之间的粘附机制及弯曲角度检测。 (c) 柔性致动器集成双水凝胶传感器：一个是置于致动器尖端的接触传感器，另一个是曲率传感器。 (d) 传感型水凝胶皮肤被机械臂探测，同时通过位于其边缘的电极进行一系列测量。

图9. 用于人机交互的水凝胶基电子皮肤。(a) 表征 “HELLO” 手势的电阻随时间变化曲线。(b) 基于 MXene 水凝胶的可穿戴手语 - 汉字转换设备。(c) 肌电图、肌电图 - 力肌图及双肌电模块的动作意图解码性能对比，以及康复手套系统在辅助主动康复应用中意图驱动手部动作的功能演示。 (d) 五指动作的单独手势及对应的响应曲线。 (e) 信息加密与解密设计原理示意图。

该工作以“Advances in Hydrogel-Based Electronic Skins: From Material Design to Multifunctional Applications”为题发表在国际知名期刊《