Adv Mater：水母启发水凝胶：实现协同防污与低信号漂移，用于 Transformer 赋能的多模态海洋生物电子

     针对海洋环境下水下生物电子器件面临的生物污损、高盐海水引发水凝胶溶胀造成导电漂移、生理信号噪声大难以解析的关键难题，本文受水母身体结构启发，提出水锁定渗流策略，开发出DTPE多功能水凝胶，用于Transformer辅助的多模态海洋生物电子器件。该水凝胶构建水‑多酚复合网络，实现“排斥+杀灭”协同抗污损效果，能够抑制蛋白吸附、细菌黏附与生物膜生成。借助疏水交联结构实现抗溶胀，搭配AA‑NHS活性酯实现多基底水下湿粘附。体系引入聚苯胺‑聚苯乙烯磺酸盐构建电子传导通路，在海水中实现22 S·m⁻¹稳定高电导率，大幅抑制盐度诱导的阻抗漂移。其可稳定采集心电ECG、肌电EMG、力肌图FMG生理信号，接触阻抗更低、信噪比更高，在动态扰动、不同盐度条件下传感性能保持稳定。同时，将该水凝胶传感前端与Transformer‑MLP多模态解码框架结合，利用多头注意力捕捉时序长距离依赖与跨模态关联。同时，采用协同模式，对水下10种手势进行识别，融合EMG与FMG信号后分类准确率可达98.5%，跨受试者交叉验证平均准确率96.7%，优于MLP、RNN、LSTM等传统时序算法。该工作建立“高性能仿生水凝胶+AI时序解码”一体化材料‑算法范式，解决海洋生物电子长期工作稳定性与智能解析的瓶颈，为严苛水环境下长期高保真传感、水下人机交互、海洋生物监测提供新的技术路径。

• 材料结构创新。提出水锁定渗流策略，构建水母启发DTPE仿生水凝胶：受水母中胶层结构启发，通过EDMA疏水交联、两性离子DMAPS、单宁酸以及PANI:PSS导电组分构建互穿网络，将体系内自由水转化为结合水，同步实现抗海水溶胀、多基底水下湿粘附，解决传统水凝胶在高盐海洋环境下体积膨胀、界面易脱落的难题。

• 功能机制创新。构筑水‑多酚协同体系，实现“排斥‑杀灭”双重抗海洋生物污损，同时获得抗漂移导电性能。利用PANI:PSS搭建电子传导通路，摆脱离子传导对海水盐分的依赖，海水中维持22 S m⁻¹稳定电导率，降低接触阻抗，实现高信噪比ECG、EMG等生理信号长期采集。

• 材料‑算法一体化创新。融合水凝胶采集的EMG肌电与FMG力肌图多模态时序信号，借助Transformer多头注意力捕获长时序依赖与跨模态关联，10类水下手势识别准确率达98.5%，跨受试者泛化性能优异，突破海洋环境噪声干扰下生物信号识别的瓶颈。

图1 用于海洋生物电子的水母启发水凝胶的示意图，该水凝胶具备协同抗污损与抗漂移导电能力。

图2 DTPE水凝胶的表征。(a)水锁定渗流机理。(b)傅里叶红外光谱测试。(c)DTPE与DTP水凝胶的扫描电镜图以及(d)孔径，比例尺：50 微米。(e)不同EDMA含量水凝胶的溶胀实物图、(g)接触角、(f)溶胀率以及(h)应力‑应变曲线。

图3 跨基底粘附性能。(a)不同材料、(b)不同生物组织的粘附实物图。(c)不同材料、(d)不同生物组织、(e)不同EDMA含量下的粘附强度。(f)平面基底、(g)异形表面涂层7天稳定性测试。DTPE、DTP水凝胶在猪皮肤浸泡7天后的粘附情况：(h)容器实拍图、(i)水凝胶形貌。(j)模拟海洋搅动环境下水凝胶的粘附效果。(k)爆破压力测试。

图4 协同抗污损性能。(a)“排斥‑杀灭”协同抗污损机制。(b)蛋白吸附测试。(c)抑菌圈测试。(d)OD600吸光度变化。(e)ATP生物发光检测。(f)共培养5天后细菌数量统计。(g)荧光强度统计。(h)不同处理7天后铜绿假单胞菌、越南伯克霍尔德菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的荧光染色图与(i) 扫描电镜图

图5 抗漂移信号采集性能。(a)DTPE水凝胶在海水中形变的COMSOL仿真图与(b)位移曲线。(c)DTPE水凝胶在海水中电导率的COMSOL仿真图与(d)电导率变化曲线。不同(e)EDMA含量、(f)海水盐度条件下DTPE的电导率。(g)海水浸泡前后，150%应变下DTPE的相对电阻变化。(h)不同应变下DTPE的相对电阻变化。DTPE的(i)响应时间与(j)循环稳定性。商用凝胶与DTPE的(k)接触阻抗、(l)信噪比对比。(m)心电信号测试。(n)肌电信号测试。

图6 基于Transformer的多模态手势识别。(a)海水中肌电EMG、力肌图FMG手势信号采集。(b)Transformer模型架构。(c)仅EMG、(d)仅FMG、(e)EMG+FMG多模态输入的精度与损失曲线。(f)混淆矩阵。(g)不同模态、(h)不同算法下的识别准确率。

本文采用水锁定渗流策略制备水母启发的DTPE水凝胶。8 wt% EDMA为最优配比，水凝胶可将部分自由水转化为结合水，孔隙显著细化，有效抑制海水高盐引发的溶胀。同时具备对金属、高分子材料及多种生物组织的强湿粘附，在动态海水环境下粘附性能持久稳定。同时，水‑多酚网络实现排斥‑杀灭协同抗生物污损，显著降低蛋白吸附，抑制细菌附着与生物膜生长。该水凝胶依靠PANI:PSS构建电子传导通道，海水中稳定电导率可达22 S m⁻¹，在宽盐度范围内阻抗漂移被显著抑制，具备高灵敏度、快速响应与循环稳定性。相比商用凝胶，接触阻抗更低、信噪比更高，能够高质量采集海水中ECG、EMG等生理信号。采集的EMG与FMG多模态信号输入Transformer‑MLP解码框架，对10种水下手势识别准确率达到98.5%，性能优于MLP、RNN、LSTM、GRU等算法。因此，该材料‑算法一体化方案解决了海洋生物电子的稳定性与智能解析难题，为海洋环境长期高保真传感与人机交互提供新思路。

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