高强度自感知多相水凝胶用于承重驱动与逻辑人机交互

《Nano-Micro Letters》：High-Strength, Self-Sensing Multiphase Hydrogels for Load-Bearing Actuation and Logical Human–Machine Interaction

　　

刺激响应形状转变水凝胶是人工肌肉、电子皮肤与软体机器人最具竞争力的候选材料。然而，现有驱动水凝胶常在驱动性能与机械强度之间存在权衡，极大限制了其在外力载荷下作为驱动器的应用前景。研究人员采用级联聚合策略，依次将电学传感与机械增强聚合物网络相引入海绵状聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）水凝胶中，获得基于PNIPAM的光热响应驱动水凝胶，具备快速响应、高强度与自感知性能。所制水凝胶驱动器可在远超自身质量的外部载荷下执行快速驱动任务，并根据外载大小产生差异化电学传感信号。基于载荷质量与驱动行为（如“0/1”编码）的对应关系，研究人员建立了一种新型基于材料的二进制信息编码系统。进一步通过制备逻辑门分析差异化反馈传感信号并结合物联网（IoT）技术，构建了用于远程逻辑交互通信的闭环逻辑控制系统。该研究填补了传统水凝胶在承重驱动与复杂交互应用中的空白，为下一代智能软材料开辟了新方向。

研究背景方面，形状响应软驱动器在人工肌肉与仿生软体机器人中备受关注，但传统刺激响应水凝胶机械强度不足，单网络结构应力传递受限，且体积收缩能难以克服重力，尤其在提升超过自身质量的物体时失效；同时引入刚性增强相（纳米黏土、碳纳米管）虽提高模量，却因链段重排与水分子传输受阻使响应速率下降1–2个数量级，存在“高强度–低响应率”矛盾，且缺乏实时自感知以实现闭环逻辑控制。为此，研究人员提出通过材料网络协同在承重、快速光热响应与自感知三者间打破权衡。

论文发表于《Nano-Micro Letters》。研究采用的关键技术方法包括：温度诱导微相分离聚合制备海绵状PNIPAM基底；在多孔基质中原位氧化聚合苯胺（ANI）形成聚苯胺（PANI）导电与光热相；浸入海藻酸钠（SA）溶液后通过Ca²⁺配位交联形成“蛋盒”动态离子网络（级联聚合策略）；以近红外（NIR）激光触发光热致动，结合LCR表记录电阻信号实现自感知；构建不同CaCl₂浸泡时长（PPS-0、PPS-60、PPS-900）调控交联密度；利用ESP32与UDP/Wi-Fi协议联动物联网与刚性机械手完成闭环逻辑交互。样本为实验室自研水凝胶条带与阵列，无外部临床队列。

研究结果部分，3.1节“PPS驱动水凝胶的制备”通过级联三步聚合获得连续互穿多相结构，扫描电镜（SEM）显示海绵孔道保留，傅里叶变换红外（FTIR）与X射线光电子能谱（XPS）证实PANI与Ca²⁺–SA成功引入。3.2节“PPS驱动水凝胶的表征”表明，材料脱水平衡约20秒、再溶胀约30秒；拉伸强度由纯PNIPAM的5.56 kPa升至PPS的86.83 kPa，杨氏模量升至27.61 kPa；NIR（1.6 W·cm^?2）下7.57秒达最大弯曲52°，恢复5.04秒，50循环稳定；PANI链迁移赋予应变传感因子（GF）1.36及与弯曲角正相关的电信号。3.3节“PPS水凝胶驱动器的承重驱动性能”显示，PPS-900可竖直提拉300倍干重物体（~8 mm/20 s），偏心载荷下4秒弯至35°；以扭矩τ=mgL绘制驱动相图，PPS-900驱动域最广，机械功W=mgΔh显著高于低交联样。3.4节“基于承重驱动的二进制信息编码”利用PPS-0/60/900对载荷的差异化弯曲阈值，将弯曲/不弯曲映射为“1/0”，六单元阵列在载荷0、0.3 g、0.6 g、1.0 g下输出“111111”“011011”“001010”“000000”。3.5节“基于自感知的承重PPS驱动器逻辑人机交互”以ΔI/I₀=0.04为阈值区分弯曲与非弯曲电信号，三通道（PPS-0/60/900）阵列经A/D转换与Wi-Fi传输至机械手伺服，当反馈码匹配预定义“001”时机械手做“OK”手势，否则握拳，实现“光触发–反馈–逻辑–动作”闭环。

讨论与结论部分指出，级联聚合通过双网络协同（共价PNIPAM约束+SA–Ca²⁺动态耗能）、微相界面氢键与多尺度增韧，解决了增强相与响应网络非协同的根本矛盾；载荷作为物理输入参量被编码进二进制逻辑，使软材料兼具驱动、传感与信息处理器功能。研究人员结论为：所建PPS水凝胶通过CaCl₂浸泡时长精确调谐承重驱动能力，PANI提供连续导电通路与高灵敏自感知，结合IoT构建的闭环逻辑系统将生物启发的“驱动–编码–姿态”映射用于下一代人机接口；该工作推进了承重智能水凝胶驱动器设计，并为自适应软体系统开辟路径。