《Chemical Engineering Journal》：Hyperbranched network engineering enables tissue-soft, low-hysteresis and ultrastretchable hydrogel strain sensors for machine learning-assisted fruit recognition
编辑推荐：
•超支化连接介导的多价相互作用增强水凝胶网络稳定性。•该水凝胶兼具17 kPa的低模量和2164%的拉伸性。•在400%应变下电滞回率达到0.76%。•四通道机械手捕捉到水果特有的抓取特征信号。•轻量级一维卷积神经网络（1D-CNN）以98.66%的准确率对五种水果进行分类。引言
- •
超支化连接介导的多价相互作用增强水凝胶网络稳定性。
- •
该水凝胶兼具17 kPa的低模量和2164%的拉伸性。
- •
在400%应变下电滞回率达到0.76%。
- •
四通道机械手捕捉到水果特有的抓取特征信号。
- •
轻量级一维卷积神经网络（1D-CNN）以98.66%的准确率对五种水果进行分类。
引言
水凝胶凭借其高含水量、类组织柔软性和固有的机械柔顺性，已成为下一代柔性电子器件[1]、[2]、[3]、[4]、可穿戴传感器[5]、[6]、[7]和软体机器人系统[8]、[9]的重要材料类别。在这些应用场景中，水凝胶通常需要在保持结构完整性和稳定信号输出的同时，承受反复拉伸、弯曲、压缩和松弛[10]、[11]。因此，除柔软性和生物相容性等常规指标外，水凝胶基功能材料还必须同时具备高拉伸性、机械稳健性、抗疲劳性和可靠的弹性恢复能力[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。然而，由线性交联亲水聚合物网络构建的传统水凝胶通常存在机械回弹性不足和显著的黏弹性耗散问题，严重限制了其在动态工作环境中的长期运行稳定性[17]、[18]。
对于水凝胶应变传感器而言，滞后是一个关键但常被低估的参数[19]、[20]、[21]。在反复加载-卸载过程中，滞后会导致变形与恢复路径不匹配，从而引起信号滞后、输出漂移和传感精度下降。这一问题在需要高保真机械-电转换的应用中尤为突出，例如运动监测、人机交互和机器人操作[22]。尽管在开发坚韧且高拉伸水凝胶方面已取得显著进展[23]、[24]、[25]、[26]、[27]，但许多现有体系仍依赖于不可逆或部分可逆的能量耗散过程，包括聚合物链滑移[28]、网络重排[29]、牺牲键断裂[30]、[31]和链间解缠结[32]、[33]。这些机制有利于增韧，但往往以牺牲弹性恢复为代价，从而在大变形下产生明显的滞后。因此，构建兼具高拉伸性和低滞后的水凝胶仍是该领域的核心挑战。人们已投入大量精力来改善聚合物水凝胶的弹性和机械耐久性。代表性策略包括串联重复蛋白交联剂[34]、[35]、滑环结构[36]、珍珠项链结构[37]、[38]、纳米通道限域[39]、链缠结调控[40]和分级组装[41]。这些方法表明，合理的网络工程可以有效改善循环变形下的回弹性和疲劳耐受性。其中，聚合物链缠结的调控尤其受到关注，因为链间缠结能有效传递应力并延缓灾难性断裂，从而有助于提高韧性和延展性。例如，Fu等人[40]将链缠结引入高分子量折叠蛋白质聚合物的浓溶液中，然后在变性状态下交联并重新折叠，成功制备了蛋白质基水凝胶。在拉伸测试中，这些材料表现出约0.70 MPa的杨氏模量和约250 kJ m?3的韧性。此外，其抗压强度高达68 MPa，压缩韧性为3.2 MJ m?3，显著优于基于非缠结网络的水凝胶，后者模量仅约20 kPa，压缩模量约50 kPa。在另一项研究中，Lloyd等人[42]采用快速注射法制备了分级有序多孔水凝胶。在拉伸变形过程中，这些孔优先变形，使材料能够实现超过12倍的延展性，同时保持低于1 kPa的超低模量。此外，支化结构此前已被用于改善水凝胶的回弹性和传感性能。Meng等人采用超支化二氧化硅纳米颗粒作为轻度交联PAM水凝胶的主要连接点，实现了几乎无滞后的机械变形[43]。Han等人将甲基丙烯酸酯官能化的超支化二氧化硅引入PAM/LiCl水凝胶中，以改善机械回弹性并实现可穿戴应变传感[44]。我们前期的工作将氨基封端的HBPN掺入PVA/PAA/PEDOT水凝胶中，以增强机械稳健性，用于可穿戴传感和编码通信[45]。然而，在大变形下，不可逆重排和结构重构仍可能对循环加载过程中的滞后有所贡献。因此，除了机械增强外，有效调控网络动力学对于实现低滞后水凝胶传感器至关重要。
在此，我们报道了一种多重可逆物理交联策略，该策略引入HBPN来调控聚合物基体中的分子间相互作用和网络约束，从而能够制备低滞后高拉伸（LHS）水凝胶。该设计利用氨基封端超支化聚合物（HBPN）作为多功能交联中心，通过空间限域链堆积来调控拓扑缠结，同时形成整合共价PAM骨架的杂化网络，共同构建多重可逆物理交联网络。所得水凝胶由聚丙烯酸（PAA）、丙烯酰胺（AM）、氨基封端超支化聚合物和聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）制备而成，表现出29.3 kPa的拉伸强度、约2200%的断裂伸长率，以及在400%应变下0.76%的电滞回率。该LHS水凝胶还表现出优异的抗循环机械加载能力，性能衰减可忽略不计。作为应变传感器，它提供快速、可逆、可靠的信号响应，应变系数（GF）为2.4。通过将传感器集成到机械手中并配合轻量级机器学习算法，建立了一套用于水果分类的智能识别系统，解码准确率达到98.66%。本研究为低滞后水凝胶应变传感器提供了一种有效的分子网络设计理念，并为软体机器人及相关电子器件中的智能传感系统开辟了新的机遇。
章节摘要
材料
聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS，珠海凯为），丙烯酰胺（AM，99%，阿拉丁），聚丙烯酸（PAA，25 wt%，北京J&K科学），氨基封端超支化聚酰胺（HBPN，HyPer N10，分子量=2035 g mol?1；上海麦克林），过硫酸铵（APS，>98%，上海阿拉丁）均直接使用，二甲亚砜（DMSO，>99.8%，上海阿拉丁）购得后未经进一步纯化直接使用。
结果与讨论
LHS导电聚合物水凝胶的结构设计与应用如图1所示。如图1a所示，LHS水凝胶应变传感器被集成到机械夹爪的手指上，用于在抓取过程中捕获变形引起的电信号。这些信号随后使用机器学习模型进行处理，用于水果识别和机器人分拣。增强可逆性的机理如图1b所示。在
结论
总之，本研究开发了一种超支化网络工程策略，通过调控聚合物链拓扑结构并引入可逆多价相互作用，构建了低滞后高拉伸导电聚合物水凝胶。优化后的水凝胶表现出17 kPa的类组织杨氏模量、29.3 kPa的拉伸强度、约2200%的断裂伸长率，以及在400%应变下仅0.76%的电滞回率。相应的应变传感器
CRediT作者贡献声明
廖军：写作–初稿，方法学，调查，数据管理。滕娟：写作–初稿，调查，形式分析，数据管理。张柳雨：写作–初稿，方法学，调查，数据管理。林宇：调查，数据管理。黄宇：调查，数据管理。李海：写作–审阅与编辑，可视化，监督，项目管理，概念化。卢宝阳：写作–审阅与编辑，资源，资金
利益冲突声明
作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
J.L.、J.T.和L.Z.对本文贡献相同。本工作得到了国家自然科学基金（22565016和52473179）、江西省柔性电子重点实验室（20242BCC32010）、江西省青年科技人才培育项目（20244BCE52249）以及江西科技师范大学国家级大学生创新创业训练计划项目（202511318022）的资助。我们感谢
廖军|滕娟|张柳雨|林宇|黄宇|李海|卢宝阳
