Adv. Funct. Mater.:一种耐压复合水凝胶用于宽范围、高灵敏度双模式压阻-压离子压力传感

     针对单机制水凝胶传感器难以同时识别静态/动态压力、实现宽范围高灵敏检测与空间映射，且难以兼顾机械鲁棒性、自修复、粘附、抗冻和保湿等环境适应性的问题。本文研发了一种以 p(AM-co-AA)/壳聚糖（CS） 为互穿聚合物网络、以木质素纳米颗粒（LNPs） 和 三元超分子离子液体（ILs-Zn-Gly） 增强的复合水凝胶 P-IZG/CS。该水凝胶通过 Zn²⁺-LNPs-APS 氧化还原自催化与动态亚胺交联协同，在室温下约 20 min 快速凝胶，并构建了氢键、金属配位和亚胺键等多重动态交联网络。研究表明，该水凝胶兼具高压缩强度（14.8 MPa）、快速自修复（8 h 内拉伸强度恢复 97.8%）、强粘附（最高 249.33 kPa）、优异抗冻性（−65 °C）、良好保湿性和长期稳定性。其离子电导率达 1.12 S m⁻¹，压缩灵敏度高达 19.91 kPa⁻¹，响应时间约 100 ms、恢复时间约 200 ms，压力检测范围覆盖 100 Pa–10 MPa；同时具有明显压离子响应，可在 −20–60 °C 下稳定工作，并识别不同形状和接触方式。基于压阻-压离子双模式机制，该传感器实现了手写字符识别、摩斯码安全通信、4×4 阵列空间压力分布映射和运动轨迹识别。该工作为宽范围、高灵敏、耐压、抗冻和自修复的水凝胶压力传感器提供了可扩展的材料设计策略，推动了水凝胶电子皮肤在复杂机械信号感知、人机交互、自供电传感、软体机器人和智能可穿戴电子等领域的应用。

• 材料体系与快速制备创新。构建了 p(AM-co-AA)/壳聚糖（CS）互穿聚合物网络水凝胶，并引入 木质素纳米颗粒（LNPs） 与 三元超分子离子液体（ILs-Zn-Gly）。利用 Zn²⁺-LNPs-APS 氧化还原自催化与动态亚胺交联协同，在室温下 20 min 快速凝胶；多重动态键（亚胺键、氢键、金属配位）协同赋予其高压缩强度、自修复、强粘附、抗冻和保湿能力。

• 压阻-压离子双模式宽范围高灵敏传感机制创新。在同一水凝胶中同时实现 压阻式与压离子式双模式压力传感，兼具高灵敏度、超宽检测范围（100 Pa–10 MPa）、快速响应（0.1 s）和优异循环稳定性。压离子模式还可自供电工作，并依据离子迁移差异识别压力大小、接触形状和温度变化。

• 多功能一体化创新。基于上述性能，实现了 实时手写识别、摩斯码安全通信、4×4 柔性阵列空间压力映射与运动轨迹识别，并在宽温域和极端环境下保持稳定响应。这展示了其在电子皮肤、人机交互、自供电传感和软体机器人等领域的应用潜力。

  
  

图2 (a) P-IZG/CS 水凝胶的制备过程示意图；(b) Zn²⁺-LNPs-APS 混合溶液在 0.05 V/s 扫描速率下循环一周的 CV 曲线；(c) P-IZG/CS 水凝胶的 SEM 图像；P-IZG/CS 水凝胶的表征：(d) FT-IR 光谱；(e) XPS 全谱，以及 (f) C 1s、(g) N 1s 和 (h) Zn 2p 的高分辨谱。

图3 (a) P-IZG/CS 水凝胶在压缩下的照片；(b) 压缩性能测试示意图；P-IZG/CS 水凝胶的压缩性能：(c) 不同单体比例下的压缩应力-应变曲线和 (f) 75% 应变下的压缩强度；(d) 不同 ILs-Zn-Gly 含量下的压缩应力-应变曲线和 (g) 75% 应变下的压缩强度；(e) 不同壳聚糖（CS）含量下的压缩应力-应变曲线和 (h) 75% 应变下的压缩强度；(i) 与文献 [8, 26-30] 中类似研究的压缩强度对比；(j) P-IZG/CS 水凝胶在 30% 应变下1000 次循环压缩曲线及 (k) 每100次循环对应压缩模量和能量损耗。

图4 (a) P-IZG/CS 水凝胶的自修复机理；(b) 水凝胶自修复过程示意图；(c) 不同恢复时间后水凝胶的应力-应变曲线和 (d) 不同恢复时间下的拉伸性能恢复率；(e) 水凝胶断裂和自修复过程中的 I-t 曲线；(f) 基于水凝胶的串并联电路点亮灯泡的自修复演示。

图6 (a) P-IZG/CS 水凝胶在 −65°C 下的示意图；(b) P/CS、P-I/CS、P-G/CS、P-IZ/CS 和 P-IZG/CS 水凝胶的 DSC 曲线；(c) 压缩灵敏度因子，以及 (d) P-IZG/CS 水凝胶在 −40°C 冷冻前后 20% 应变下 10 次压缩循环中的相对电阻变化；(e) 外观照片，(f) P/CS 和 P-IZG/CS 水凝胶在不同温度下储存 7 天后在 −20°C 和 20°C 下的失水率；水凝胶在不同温度下长期储存后的性能变化：(g, h) 在 −20°C 和 20°C 下的压缩灵敏度因子，(i, j) 在 −20°C 和 20°C 下 20% 应变压缩循环中的相对电阻变化。

图7 (a) P-IZG/CS 水凝胶的压缩灵敏度因子，以及 (b) 与类似文献报道的压缩灵敏度因子对比。(c) 不同压缩应变和 (d) 不同压缩强度下的相对电阻变化；(e) 压缩响应和恢复时间；(g, h) P-IZG/CS 水凝胶可检测的宽压力范围，以及 (i) 与类似文献 报道的压力范围对比；(j-m) 展示水凝胶宽压力检测范围的实际性能测试（吹气、手指按压、肘部按压和人体体重按压）；(n) P-IZG/CS 水凝胶宽压力检测范围演示。

图8 P-IZG/CS 水凝胶的压离子机理和压电性能。(a) 压离子机理；(b) 在 50、100、150、200、250 和 300 kPa 压力下的短路电流和 (c) 开路电压；(d) 在 250 kPa 压力下十次循环的电流和 (e) 电压；(f) 在不同温度（−20°C、20°C、60°C）下使用不同形状接触面施加压力时水凝胶的电流响应和电压响应：(g) 圆形、(h) 方形和 (i) 锥形。

图9 (a) 在水凝胶上书写的示意图；(b) 书写字母“IZGAB”和数字“1234”产生的电信号；(c) 摩斯码信息及水凝胶输出摩斯码的示意图；(d) 不同温度下摩斯码点和划对应的电信号；不同温度下摩斯码信息输出：(e) “SOS”，(f) “NJFU”和 (g) “2025”。

图10 (a) P-IZG/CS 水凝胶 4×4 阵列传感器示意图；(b–d) 阵列四个单元的相对电阻变化；(e) P-IZ/CS 水凝胶阵列传感器的实物照片；阵列传感器识别不同字母的相对电阻变化：(f) “Z”，(g) “F”和 (h) “U”。(i) P-IZG 水凝胶压电离子阵列传感器示意图；(j) 阵列 M1、M2、M3 的排列及识别路径 P1、P2、P3 的示意图；(k) 在 M1、M2、M3 位置施加局部压力时对应的电压输出，以及 (l) 输出电压大小；(m) P-IZG 水凝胶压电离子阵列传感器实物照片；(n, p) 在路径 P1、P2、P3 施加压力时对应的电压输出和大小。

本文成功开发了一种基于超分子互穿聚合物网络的多功能离子导电水凝胶 P-IZG/CS。该水凝胶通过 ZnCl₂ 介导的氧化还原反应与动态亚胺键形成协同作用，在室温下快速凝胶化，并集成了高压缩强度（14.8 MPa）、快速自修复（8 h 内）、强粘附（249.33 kPa）、优异保湿性、抗冻性、长期储存稳定性和抗疲劳性。其离子电导率达 1.12 S m⁻¹，压缩灵敏度高达 19.91 kPa⁻¹，响应时间 0.1 s，压力检测范围覆盖 100 Pa–10 MPa，并具有明显压离子效应。基于压阻/压离子双模式传感机制，该水凝胶在极端温度下仍能可靠工作，可实现手写字符实时识别、摩斯码安全通信以及柔性阵列空间压力分布与运动轨迹映射。本文为可感知、传输和解析静态/动态机械信息的水凝胶平台提供新策略，在安全人机界面、自供电电子皮肤、软体机器人和智能可穿戴电子等领域具有广阔应用前景。

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