一种灵活且坚韧的离子凝胶，具有较高的传感线性以及较低的滞后现象，适用于集成了驱动与传感功能的3D打印仿生设备

《Chemical Engineering Journal》：A flexible and tough Ionogel with high sensing linearity and low hysteresis for 3D-printed biomimetic devices with integrated actuation and sensing

　　

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  我们开发了一种新型的DES-AA-Ion（DAI）光固化离子凝胶，该凝胶具有三重协同交联网络，同时解决了传统离子凝胶的关键问题，包括明显的机械迟滞、非线性传感响应和较差的3D打印性能。
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  优化的DAI离子凝胶展现了优异的性能组合：4.59兆帕的拉伸强度、17.1毫西门子/米的电导率、超高的传感线性R2=0.9941、以及3.5%的超低能量耗散系数，响应时间仅为75毫秒，并且在500次加载-卸载循环后仍能保持稳定性能。
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  通过集成负泊松比（auxetic）结构设计，可以利用几何参数调整在目标压力范围内实现定制的传感响应，从而扩展了柔性压力传感器的应用场景。
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  DAI离子凝胶与数字光处理（DLP）3D打印技术兼容性优异，可实现微米级别的打印精度，并且无需额外后处理即可一步制作出复杂的3D结构。
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  通过DLP 3D打印制造了一种具有整体驱动-传感功能的仿生章鱼触须装置，当与神经网络结合使用时，可以实现适应性夹持和精确的目标形状识别。

引言

柔性电子传感技术在软体机器人、人体运动检测和人机交互等前沿领域具有巨大的应用潜力[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。基于金属或半导体的传统压阻传感器受其固有的刚性和不可伸展性的限制，无法满足这些新兴应用的严格要求[10]。当前柔性电子设备的主流设计策略通常是将无机材料或导电聚合物整合到柔性基底中[11]、[12]，但这些方法存在制造成本高、机械强度低和界面粘附力弱等问题[13]。凝胶以其模拟组织的柔韧性、良好的生物相容性和可调控的电化学性能，成为了柔性电子器件、可穿戴传感器和生物医学设备的理想材料平台[14]。在柔性传感及相关应用中，材料必须能够承受反复的动态机械变形，并适应复杂的定制几何结构[15]、[16]。因此，开发兼具出色动态机械性能和高效柔性制造能力的凝胶材料是一项关键的研究课题[17]。

首先，传统凝胶在循环加载-卸载过程中通常会出现明显的能量耗散和机械迟滞现象，这是由于凝胶网络内部的非共价键断裂/重组以及链滑移引起的[18]、[19]、[20]。严重的迟滞会导致传感信号失真，降低响应速度，并加速材料疲劳，严重限制了这些材料在高精度、高频率动态监测场景中的可靠性。例如，Li等人报道了一种电导率为2.3毫西门子/米、最大形变为1296%的凝胶，但其能量耗散效率约为20%，直接导致监测过程中的信号响应迟缓[21]。

其次，非线性是传统基于凝胶的传感器的固有局限性，限制了它们的传感性能。这导致传感器在整个测量范围内的灵敏度无法保持恒定，从而产生较大的测量误差，并使得基于线性模型的校准方法失效[22]。这种非线性响应从根本上缩小了有效的线性传感范围，削弱了凝胶传感器在高精度、宽动态范围检测应用中的竞争力[23]。

此外，凝胶材料的精确制造仍然是制造复杂三维（3D）结构的重要挑战[24]、[25]。传统的制造技术，包括热聚合、离子扩散交联和冻融循环，往往无法实现对凝胶微观结构和宏观几何形态的精确控制。现有的凝胶3D打印技术，如基于挤压的打印方法，在打印分辨率、结构保真度和材料兼容性方面存在固有的局限性[26]、[27]、[28]、[29]，使得制造具有精细特征或定制拓扑配置的凝胶器件极为困难，难以满足日益增长的个性化定制和复杂功能器件制造需求。因此，开发适用于高精度、高复杂度结构制造的新型凝胶制造技术是该领域亟需解决的瓶颈问题。

例如，Zhu等人开发了一种可打印的凝胶，其峰值应力为5.5兆帕，断裂伸长率为1300%。然而，该研究使用的挤压型3D打印精度不够，难以制造出精细的3D结构，且未报告该凝胶系统的打印分辨率[30]。因此，开发兼具高打印精度和优异结构可控性的新型凝胶制造技术具有重要的研究价值。

近年来，基于光固化的3D打印技术，包括立体光刻（SLA）和数字光处理（DLP），因其能在微米级别实现分辨率、高形状保真度和快速原型制作复杂3D结构而受到广泛关注[31]、[32]。这些技术能够精确控制多个尺度上的复杂几何形状，有助于复制复杂的生物结构，实现高效的质量和能量传输，使3D打印凝胶成为仿生设备（如雾收集器、传感器和蒸发器）的有希望的候选材料[33]、[34]、[35]。

为了解决这些挑战，我们旨在开发一种适用于高精度光固化3D打印的新型离子凝胶系统，该系统同时具备高传感线性、低迟滞和优异的综合机电性能。我们采用了紫外线（UV）光固化作为核心交联机制。与传统冻融、干燥固化及热固化技术相比，光固化能够快速制备样品，并允许直接精确制造具有复杂几何形状和定制结构的功能凝胶器件，克服了传统方法在制造效率和形态设计自由度方面的局限性[36]。

柔性应变传感器通常分为两类：压阻式和电容式传感器。传统的压阻式传感器主要依赖材料本身的性质进行传感检测，其性能受到材料属性的固有限制。因此，微结构设计已成为决定柔性电子系统中基于凝胶的压阻式压力传感器性能的关键因素[37]。在这项工作中，我们通过光固化3D打印制备了一种具有负泊松比结构的压阻式传感器，实现了对微小变形的更敏感检测。

基于此背景，我们最终开发了一种适用于高精度光固化3D打印的新型离子凝胶系统，该系统具有固有的低迟滞和高线性响应特性。为此，我们设计了一种复合改性策略：将深共晶溶剂（DES）引入聚丙烯酸网络以构建动态物理交联网络，引入含金属离子的溶液形成金属配位键以进一步调节机械性能，并协同利用高浓度溴化锂（LiBr）的盐析效应和离子导电性来优化离子凝胶的机械性能和电信号线性。基于这一策略，我们通过简单的一步法成功制备了DES/LiBr增强的聚丙烯酸凝胶。这种材料表现出微小的机械迟滞和优异的形状恢复性能，为动态传感应用中的高保真信号输出奠定了基础。我们系统的研究了该离子凝胶的网络结构、动态机械性能和传感性能，并验证了其在日常人类活动监测中的应用潜力。此外，利用离子凝胶的光固化特性，我们设计并打印了一种气动夹具和一个3D负泊松比结构，并构建了一个受章鱼触须启发的多功能集成驱动-传感生物模拟装置。

章节摘录

化学试剂和仪器

丙烯酸、氯化胆碱、甘油、溴化锂和光引发剂二苯(2,4,6-三甲基苯甲酰)膦氧化物（TPO）均购自上海Macklin生化有限公司。用于机械表征的通用测试机来自上海凯远仪器有限公司。传感性能测量使用的是苏州浩威仪器的LCR仪表。微结构表征使用了

DAI离子凝胶的合成路线和交联机制

DAI离子凝胶的合成和表征示意图见图S2a和S2d。首先将丙烯酸（AA）与深共晶溶剂（DES）混合，制备了DES-丙烯酸（DA）体系。随后将溴化锂（LiBr）离子溶液引入DA体系中，得到了前驱体溶液（图1a）。如图1b所示，通过光固化

结论

在这项工作中，我们开发了一种适用于DLP 3D打印的DAI离子凝胶。通过利用深共晶溶剂（DES）和LiBr的协同效应，我们通过动态物理交联和连续的离子导电通道调节了离子凝胶网络，实现了高机械强度（4.59兆帕）、良好电导率（17.1毫西门子/米）和低迟滞（R2=0.9941）的理想组合。

利用这种材料，我们设计并打印了

CRediT作者贡献声明

Songjiu Han：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法选择、资金获取、概念构思。Beining Liu：撰写——初稿撰写、可视化。Huan Liu：概念构思。Zhuo Xu：指导。Junjie Yang：指导。Zhibo Wang：验证。Mingli Ding：研究。

资金来源

本研究得到了

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了东北电力大学机械工程学院的支持。志愿者们在充分理解整个过程及可能涉及的风险的情况下参与了这一概念验证演示。作者们非常感谢学校提供的实验室设备和实验平台支持，同时也感谢同事们在手稿准备过程中提出的建设性建议和有益讨论。

Songjiu Han|Beining Liu|Huan Liu|Zhuo Xu|Junjie Yang|Zhibo Wang|Mingli Ding