受浣熊爪启发的用于自供能融合感知的多孔水凝胶电子皮肤

《Biosensors and Bioelectronics》:Raccoon-Paw-Inspired Porous Hydrogel Electronic Skin for Self-Powered Fused Perception

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月03日 来源:Biosensors and Bioelectronics 11.8

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   摘要可穿戴凝胶电子器件需要软材料平台,能够在紧凑系统内支持自主触觉感知和生理监测。在此,我们报告了一种受浣熊爪启发的多孔水凝胶电子皮肤,用于自供电滑移感知和人工汗液指纹识别。采用牺牲蔗糖模板策略构建了一个互连的多孔水凝胶网络,具有低体积密度、高压缩性、快速液体吸收和连续离子传

  

摘要

可穿戴凝胶电子器件需要软材料平台,能够在紧凑系统内支持自主触觉感知和生理监测。在此,我们报告了一种受浣熊爪启发的多孔水凝胶电子皮肤,用于自供电滑移感知和人工汗液指纹识别。采用牺牲蔗糖模板策略构建了一个互连的多孔水凝胶网络,具有低体积密度、高压缩性、快速液体吸收和连续离子传输的特性。负载 [Fe(CN)6]3-/4- 氧化还原电对后,水凝胶在温差下产生热伽伐尼输出。得益于基于热电效应的活性压阻效应,该电子皮肤实现了自供电压力传感,灵敏度为 161.3 kPa-1,检测限为 2.5 Pa,响应和恢复时间分别为 65 和 75 ms。它进一步与蜂窝结构接触层耦合,以捕获滑动引起的电流信号进行表面纹理感知,在对九种表面纹理的识别中实现了 95.23% 的准确率。此外,水凝胶网络将混合汗液电解质的离子依赖扩散动力学转化为时间分辨的汗液指纹,使得八种人工汗液成分得以以 95.0% 的准确率被识别。识别出的成分进一步映射到三个电解质状态水平,以实现电致变色视觉反馈。该多孔水凝胶平台为在可穿戴电子器件中整合自供电触觉感知与人工汗液分类提供了一条简单的策略。

引言

柔性电子、软体机器人、个性化医疗和智能人机接口的快速发展正在推动可穿戴系统向自主和多功能感知发展(Liang et al., 2026; Liu et al., 2025; Wang et al., 2025)。预计软电子材料能够弥合生物组织与传统电子器件之间的机械和生理差距,同时在运动和变形下保持稳定运行(Bai et al., 2026; Kim et al., 2021; Zhi et al., 2024)。与此同时,对低功耗和无缆设备的需求促进了自供电传感平台的发展,该平台可收集环境能量并将外部刺激转化为可读信号(Li et al., 2025; Xu et al., 2024; Yang et al., 2026; Zou et al., 2026)。
水凝胶作为富含水的聚合物网络,具有类似组织的柔软性、可调节的机械性能和高离子传输能力,使其成为共形可穿戴凝胶电子器件的有前途的材料(Bariya et al., 2018; Chang et al., 2026; Sung et al., 2025)。与致密水凝胶相比,多孔水凝胶具有更低的体积密度、更高的压缩性、改善的液体吸收和扩大的内部界面,这有利于构建具有增强变形能力和质量传输能力的软传感材料(He et al., 2022; Li et al., 2023; Liu et al., 2026; Liu et al., 2024)。最近的进展表明,具有止孔结构的梯度泡沫状水凝胶可以同时提高共形人机界面的柔软性、变形性和压力灵敏度(Hui et al., 2024)。当将氧化还原电对引入多孔水凝胶时,所得的热伽伐尼水凝胶可以将温差转化为电输出,为自供电传感提供内部能量来源(Fu et al., 2025; Jiang et al., 2024; Sang et al., 2024; Wei et al., 2025)。
尽管基于水凝胶的可穿戴传感器取得了相当大的进展,但多孔水凝胶的可穿戴应用尚未得到充分探索(Griffanti and Nazhat, 2020)。大多数多孔水凝胶传感器侧重于压力、应变或人体运动监测,而动态滑移感知和表面纹理识别需要将滑动引起的接触波动高效转化为可区分的电信号(Alsaid et al., 2021; Li et al., 2024; Lloyd et al., 2025)。与此同时,汗液传感通常通过离子选择性膜、酶或其他特定识别层实现,这可能在混合电解质环境中引入额外的界面修饰和交叉干扰(Y. Liu et al., 2026; Zou et al., 2026; Xiao et al., 2025; Yin et al., 2022)。多孔水凝胶的吸水特性和离子扩散特性提供了一条记录汗液相关传输动力学的简单途径,然而该策略受到的关注有限(Singh et al., 2024; Xu et al., 2026; Zhang et al., 2026)。因此,开发一个多孔水凝胶平台仍然是令人向往的,该平台可以被编程为不同的传感单元,用于自供电触觉感知和汗液状态监测。
在此,我们报告了一种受浣熊爪启发的多孔水凝胶电子皮肤(PHES),用于自供电滑移感知和汗液监测。PHES 表现出轻量化特性、机械顺应性、强吸水性和连续离子传输路径。对于触觉传感,负载 [Fe(CN)6]3-/4- 氧化还原电对的 PHES 在温差下产生热电输出,而压力和滑动通过调节内部电阻触发活性压阻效应,从而调节热电电流输出。通过集成蜂窝结构接触层,PHES 捕获滑动引起的电流波动并实现表面纹理识别。对于汗液传感,多孔水凝胶在不使用额外离子选择性层的情况下使用,允许混合电解质的扩散动力学转化为时间分辨的电指纹。识别出的人工汗液成分进一步映射到电致变色视觉反馈。这种集成策略使得在共同的多孔水凝胶平台内实现机械感知和离子信息分析成为可能,与以前报道的基于水凝胶的传感系统相比具有显著优势(表 S1)。

章节片段

受浣熊爪启发的多孔水凝胶电子皮肤的设计概念

生物皮肤在顺应性界面内集成了柔软性、水合作用和环境感知(Hu et al., 2023; Kumar et al., 2020; N. Li et al., 2025)。浣熊爪通过掌部皮肤表现出敏感的触觉感知,其中水合作用增强了组织的变形性和与接触表面的机械耦合。如图 1a 所示,脱水使掌部表面硬化并削弱对细微表面特征的感知,而吸水则恢复顺应性

结论

我们开发了一种受浣熊爪启发的多孔水凝胶电子皮肤,用于自供电触觉感知和人工汗液指纹识别。多孔 PVA 水凝胶提供机械顺应性、可逆吸水性和连续离子传输路径。通过结合热伽伐尼电压产生与压力依赖性电阻调节,PHES 实现了自供电压力传感和表面纹理识别。多孔网络还将离子依赖的

材料

PVA(分子量,120,000 至 140,000)、二甲基亚砜(DMSO, ≥99.5%)、K3Fe(CN)6(MW = 329.2, ≥99%)和 K4Fe(CN)6·3H2O(MW = 422.4, ≥99%)购自 Sigma-Aldrich。聚酰亚胺(PI, 50 μm)胶带、碳电极、氧化铟锡(ITO, 0.125 mm)、Ecoflex 硅胶、基于 PEDOT:PSS 的水性电致变色墨水和水性光固化电解质购自珠海凯沃新材料有限公司。所有材料均按原样使用,未经进一步纯化。

PHES 的制备

PHES

CRediT 作者贡献声明

Xiaojing Cui: 写作 – 回顾与编辑。Zhichao Gao: 方法论,调查。Yuxiu Yao: 方法论,调查。Xinru Yang: 方法论,调查。Yu Niu: 方法论,调查。Kunjiao Liu: 方法论,调查。Ning Li: 写作 – 初稿,方法论,概念化。Suyi Wen: 写作 – 初稿,方法论,概念化。Hulin Zhang: 写作 – 回顾与编辑,写作 – 初稿,监督,资源,资助获取。Zhou Li:

未引用参考文献

Childs et al., 2024; Davis et al., 2024; Li et al., 2025; Liu et al., 2026; Wang et al., 2024; Wang et al., 2023; Zhang et al., 2026.

利益冲突声明

作者声明无竞争经济利益。

数据可用性

数据可在请求时提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有任何已知的可能影响本论文报告工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢

这项工作得到了 国家自然科学基金 (52475600, U25A20417) 和山西省科技 合作 交流专项(202304041101021)的支持。
Suyi Wen|Ning Li|Kunjiao Liu|Yu Niu|Xinru Yang|Yuxiu Yao|Zhichao Gao|Xiaojing Cui|Shengli Cao|Zhou Li|Hulin Zhang
太原理工大学电子信息工程学院,太原,030024,中国
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