基于颗粒状双网络水凝胶的软体机器人仿生传感系统研究

为解决柔性传感器因粘弹性导致的信号滞后和漂移问题，研究人员开发了由聚电解质微凝胶和PEDOT:PSS功能化间隙组成的导电双网络颗粒水凝胶传感器(R-DNGH)。该材料兼具1.4 MPa杨氏模量和690%断裂应变，信号漂移低于0.1%，并可通过直接墨水书写(DIW)技术3D打印成软体机器人触手，实现本体感觉和外界感知功能。这项发表在《Materials》的研究为新一代柔性电子器件开发提供了新思路。

　　

在软体机器人领域，如何实现高精度传感一直是重大挑战。传统柔性传感器受限于聚合物材料的粘弹性，普遍存在信号滞后和漂移问题，严重影响测量准确性。虽然通过增加交联密度或添加二氧化硅纳米颗粒等填料可以改善这一问题，但这些方法往往以牺牲材料柔软性为代价。特别是在需要模仿章鱼等软体动物运动的仿生机器人中，材料的柔软度和延展性至关重要。

针对这一技术瓶颈，瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究团队创新性地开发了电阻式双网络颗粒水凝胶(R-DNGH)传感器系统。这项发表在《Materials》的研究通过独特的材料设计和先进的制造工艺，成功实现了高刚度、高延展性和低信号漂移的完美结合，为软体机器人的智能化发展提供了新的技术路径。

研究团队主要采用了三种关键技术方法：一是通过水包油乳液聚合法制备不同硬度的PAMPS微凝胶；二是利用PEDOT:PSS功能化微凝胶间隙构建导电网络；三是采用直接墨水书写(DIW)技术进行3D打印成型。特别值得注意的是，所有实验样品均通过模铸法制备，力学性能测试使用Zwick Roell Z005万能试验机完成。

在"PEDOT:PSS浓度对机电性能的影响"部分，研究发现将微凝胶浸泡在含0.027 wt% PEDOT:PSS的溶液中制备的R-DNGH具有最佳性能组合：极限强度0.81 MPa，断裂应变190%，电阻率48 Ωm。通过对比紫外光引发和热引发交联的样品，证实高浓度PEDOT:PSS会阻碍紫外光引发的自由基聚合反应。

关于"导电网络密度对压阻性能的影响"，研究显示增加微凝胶重量分数可显著提高材料性能。含3.2 wt%微凝胶的R-DNGH杨氏模量达1.4 MPa，是普通聚丙烯酰胺(PAAm)的10倍。通过调节微凝胶硬度(3-83 kPa)，可实现1.1-3 MPa的模量调控而不影响断裂应变。特别重要的是，优化后的R-DNGH应力-应变滞后仅为6%，远低于传统双网络水凝胶40%的典型值。

在"流变学表征和3D打印"章节，研究证实含3.2 wt%硬微凝胶(83 kPa)的墨水最适合DIW打印，其屈服应变为9%，恢复时间仅100 ms。打印测试显示，使用22G锥形喷嘴(0.41 mm直径)在144 kPa压力下可获得12%的极低铺展因子，实现了高精度图案化。

最具创新性的成果体现在"软体机器人传感系统"应用中。研究团队通过模铸和3D打印相结合的方式，成功将8环曲折导电路径集成到触手中，使传感器的应变系数(GF)提升50%。在水下测试中，该传感器能准确识别10°-40°的伺服电机偏转角度，并检测到触手与池壁的接触，展现出优异的本体感觉和外界感知能力。经过两周的水中储存测试，传感器性能保持稳定，证实了其良好的耐久性。

这项研究的重要意义在于：首先，提出的双网络颗粒水凝胶设计策略成功解决了柔性电子中刚度与信号稳定性的矛盾；其次，开发的DIW打印工艺实现了导电路径的精确图案化，为复杂形状传感器的制造开辟了新途径；最重要的是，所构建的软体机器人传感系统展示了在真实环境中的应用潜力，为下一代自适应机器人的发展奠定了基础。研究团队特别指出，该材料的低滞后特性(6%)和超高延展性(690%)组合在同类研究中尚属首次报道，为生物医学设备、可穿戴电子等领域提供了新的材料选择。