基于海藻酸钠的环境稳定型坚韧离子凝胶传感器，结合机器学习技术实现高精度的静态手势识别

《Carbohydrate Polymers》：Sodium alginate-based environmentally stable tough ionogel sensors integrated with machine learning for high-accuracy static gesture recognition

　　

摘要

具有优异机械性能、环境稳定性和可靠传感性能的凝胶材料对于智能人机界面来说是非常理想的。然而，传统的水凝胶系统在承受负载的应用中通常会因为其较差的机械性能、逐渐脱水和冷冻引起的性能下降而失效。在这里，我们报道了一种通过简单的溶剂替换策略具有显著环境稳定性的机械坚韧的离子凝胶：将一种由CaBr₂和1-丁基-3-甲基咪唑溴化物（[BMIM]Br）组成的非挥发性卤酸盐离子液体掺入聚丙烯酰胺/海藻酸钠（PAAm/SA）水凝胶网络中。协同的配位作用和离子-偶极相互作用重构了网络结构和溶剂-聚合物微观环境，促进了能量的有效耗散。因此，优化后的离子凝胶展示了出色的环境稳定性和机械性能，包括2860%的延展性、0.68 MPa的拉伸强度、9.46 MJ/m³的韧性和16.02 kJ/m²

引言

水凝胶是一种由亲水聚合物在水中通过共价或非共价相互作用原位交联形成的三维网络材料（Li & Gong, 2024）。它们具有良好的生物相容性和灵活性，已被广泛应用于生物医学、柔性电子（Chen et al., 2024）、软体机器人（Zhang et al., 2022）和药物输送领域。然而，传统的具有松散和异质交联网络的水凝胶通常具有较差的机械性能。单一聚合物网络通常无法承受由人体运动引起的大变形和循环载荷，容易发生疲劳断裂（Su, Zhang, et al., 2025）。此外，这些水凝胶还具有较差的环境稳定性，因为它们容易失水收缩，或者在低温下冻结变脆，导致机械性能下降和信号漂移，从而影响其在柔性应用中的性能（Li, Huang, et al., 2022; Li, Li, et al., 2022; Li, Li, et al., 2023）。因此，开发同时具备优异机械性能和良好环境适应性的水凝胶材料具有重要意义。

双网络（DN）水凝胶由于刚性能量耗散网络和柔性支撑网络之间的协同作用，表现出出色的机械强度、韧性和抗疲劳性能（Gong et al., 2003），并已成为高性能柔性凝胶材料的研究热点（Hu et al., 2021; Tan et al., 2011）。天然多糖具有柔性的长链骨架、丰富的极性活性基团和良好的网络兼容性，使其成为构建DN水凝胶柔性基质的理想候选材料，通常包括纤维素、壳聚糖和海藻酸钠（SA）（Wang, Bo, et al., 2024）。作为代表性的天然阴离子多糖，SA含有丰富的羧基和羟基，赋予其强大的配位交联能力和优异的网络可调性。因此，SA在制备可交联、高延展性和功能可调的高性能凝胶系统方面具有巨大潜力（Lu, Hu, et al., 2026）。例如，Tuo等人使用SA作为柔性增强网络，通过金属离子配位制备了导电DN水凝胶，展示了较大的延展性和高灵敏度的传感性能（Li, Li, et al., 2023）。Lin等人基于羟丙基淀粉（HPS）和SA制备了可延展、可压缩和自愈的DN水凝胶，其机械性能可以通过改变SA的用量来调节（Lin et al., 2021）。尽管DN结构大大提高了水凝胶的整体机械韧性（Lin et al., 2020; Liu, Chen, et al., 2025），但它们在复杂环境下的稳定性较差，限制了实际应用（Song et al., 2026; Wang, Chen, et al., 2024）。为了解决这个问题，已经提出了各种增强策略，包括离子交联、溶剂交换、纳米填料掺入、退火处理和疏水关联修饰，以同时改善水凝胶的机械性能、结构稳定性和电导率（Li, Wang, et al., 2024; Luo et al., 2026; Peng et al., 2025; Su, Peng, et al., 2025; Wang, Hu, et al., 2026）。

离子液体（ILs）已被用作多功能稳定剂。ILs具有高离子导电性、可忽略的挥发性和出色的热稳定性，被广泛认为是传统水性导电系统的有前途的替代品（Han et al., 2025; Zhao et al., 2024）。近年来，由聚合物网络和离子液体组成的离子凝胶在柔性电子应用中显示出相当大的潜力（Cui et al., 2024; Hopson et al., 2021; Jiang & Zhao, 2025）。在各种离子液体中，卤酸盐离子液体受到了越来越多的关注，因为它们同时具有离子液体和金属配位物种的特性（Li, Li, Wang, et al., 2022; Li, Lu, et al., 2024）。Yan及其同事（Li, Wei, et al., 2023）通过引入卤酸盐离子液体作为超分子溶剂，制备了高强度和高韧性的离子凝胶，在离子液体和聚合物链之间形成了丰富的氢键和配位相互作用。与主要作为导电介质或增塑剂的传统咪唑基离子液体不同，卤酸盐离子液体不仅可以提供稳定的离子传输路径，还可以通过多种可逆相互作用（包括离子-偶极相互作用、氢键和金属-离子配位）调节溶剂-聚合物相互作用（Yan et al., 2024; Kim et al., 2023; Li & Sun, 2023）。这种协同相互作用有利于同时提高离子凝胶系统的机械稳定性、环境适应性和离子传输能力（Guan et al., 2023; Zhuo et al., 2022）。

在这里，我们采用了一种简单高效的溶剂替换策略来制备聚丙烯酰胺/海藻酸钠（PAAm/SA）双网络离子凝胶，其中使用了由1-丁基-3-甲基咪唑溴化物（[BMIM]Br）和CaBr₂组成的卤酸盐离子液体（[BMIM][Ca_xBr_y）。我们假设来自卤酸盐离子液体的钙离子部分可以作为额外的离子交联位点与海藻酸钠链上的羧酸基团结合，同时，离子液体部分能够在整个PAAm/SA网络中形成丰富的动态聚合物-溶剂相互作用（例如，离子-偶极相互作用和氢键相互作用）。这些可逆的、可断裂且可重构的相互作用具有能量耗散能力，可以在凝胶变形过程中有效地重新分配和消耗机械能，从而提高离子凝胶的韧性。这项工作系统地探讨了离子配位的协同效应和可逆非共价键与离子凝胶的环境耐受性、机械性能和稳定传感性能之间的相关性。此外，柔性传感器与机器学习算法集成在一起。实现了复杂电信号的特征提取和模式识别，以验证算法辅助的手势识别性能（Lu, Xu, et al., 2026; Zhang et al., 2025）。这项研究为制备具有优异机械性能和环境稳定性的柔性离子凝胶提供了一种新的设计途径。

部分片段

材料

丙烯酰胺（AM, AR, 99%）、过硫酸铵（APS, AR, 98%）和N,N'-甲基二丙烯酰胺（MBAA, AR, 98%）购自上海Titan Scientific有限公司。海藻酸钠（CAS: 9005-38-3, AR, 90%，粘度180–220 mPa·s，M/G = 1:2，干燥损失≤15%）。分子量是通过凝胶渗透色谱法（GPC）获得的（图S1）。重均分子量（M_w）确定为314,970 Da，数均分子量（M_n）为126,160 Da，多分散性

离子凝胶的合成与表征

离子凝胶的两步制备过程如图1a所示。首先，通过简单的单锅自由基聚合反应合成了具有良好柔韧性和生物相容性的经典半互穿（semi-IPN）PAAm/SA水凝胶。在这种结构中，化学交联的PAAm链构成了主要的承载支架，而刚性较高的SA链与PAAm链物理缠结，增强了网络强度。随后，

结论

总之，通过一种简单的两步策略成功地制备了一种基于PAAm/SA的多功能离子凝胶，该策略包括水凝胶的构建和随后的卤化金属离子液体溶剂替换。基于[BMIM]^?的卤酸盐离子液体和Ca²⁺配位作用的协同掺入有效地重构了聚合物网络的内部微观环境，产生了包括离子配位、离子-偶极

CRediT作者贡献声明

徐月：撰写——原始草稿，可视化，验证，方法学，研究，数据管理，概念化。康丽文：撰写——原始草稿，可视化，验证，方法学，研究，概念化。苏鑫：可视化，方法学，研究，数据管理。向秋：验证，正式分析，数据管理。王世宇：验证，方法学，正式分析。朱萌萍：方法学，正式分析，数据管理。陈志硕：可视化，

伦理声明

所有涉及人体的实验都遵循了世界医学协会的伦理指南。参与人体运动感知测试的志愿者是本文的合著者，志愿者的性别对研究结果没有影响。本研究中所有涉及人类的实验仅限于在人体皮肤表面进行的非侵入性测试。此外，所有参与者在参与研究之前都签署了知情同意书。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：22505171）、四川农业大学的Start基金（资助编号：031-2122996035）以及四川大学聚合物材料工程国家重点实验室的启动项目（资助编号：sklpme2024-1-23）的支持。

徐月|康丽文|苏鑫|向秋|王世宇|朱萌萍|陈志硕|饶汉冰|周涛|苏 Gehong