科学网—江西科技师范大学卢宝阳团队/韩国全北大学Sooman Lim教授：超支化多臂交联导电聚合物水凝胶驱动可穿戴智能加密交互
精选
已有 299 次阅读
2026-6-2 11:40
| 系统分类: 科研笔记
研究背景:
随着可穿戴电子技术的快速发展，导电水凝胶因其柔软性、可拉伸性和生物相容性，成为应变传感器、电子皮肤等领域的核心材料，在健康监测及智能交互设备中展现出广阔的应用潜力。然而，传统导电水凝胶通常采用线性交联策略，形成拓扑结构简单且交点分散的网络，致使材料难以兼顾高导电性与力学鲁棒性，且循环载荷下易失效，限制了其实际应用。
为了解决该矛盾，本研究采用超支化多臂交联策略，通过引入末端氨基的超支化聚合物（HBPN）诱导水凝胶网络形成致密的物理缠结与共价交联协同结构，构建了兼具高韧性（342.76 kJ m⁻³）与大应变（>300%）的RBA水凝胶（Robust Branched Architecture Hydrogel）。基于该材料开发的传感器，实现了人体动作的精准监测（GF=3.73），结合1D-CNN算法达成了摩尔斯码通信（准确率96.26%）。该器件在力学自支撑和传感响应上表现优异，但在多模态信号同步采集方面仍有待深入探索。未来研究应进一步优化材料配比、器件封装工艺，并结合多通道传感和智能算法，以期实现柔性传感器件在健康监测、康复训练及智能交互中的长期稳定应用和多场景推广。
亮点 Highlights:
文章从材料设计与柔性器件的应用创新两方面展开研究：
（1）提出了一种超支化多臂交联策略，诱导材料内部形成致密均匀的网络结构，成功制备了PEDOT:PSS 基 RBA 水凝胶。
（2）RBA 水凝胶兼具高韧性（342.76 kJ m⁻³）与大拉伸应变（>300%），基于其构筑的应变传感器实现了高灵敏度（GF=3.73）与快速可逆响应，为柔性应变传感器件提供稳定基础。
（3）RBA 水凝胶柔性传感器实现了宽范围幅度的实时动作监测和摩尔斯码辅助通信，并为可穿戴健康监测、康复训练以及智能人机交互提供可行方案。
文章解读
文章从材料微观设计的创新出发，提出一种超支化多臂交联策略，用于构建兼具高韧性和大幅拉伸性的水凝胶，并将其与器件工程结合，组装成响应稳定的柔性应变传感器，应用到人体运动监测、摩尔斯码通信，以及可穿戴健康监测和智能人机交互，为未来多功能柔性可穿戴设备开发提供坚实基础。示意图展示了材料微观结构、器件组装、性能验证及应用演示，直观体现出RBA 水凝胶从材料创新到器件应用的整体价值。
图1.RBA 导电聚合物水凝胶的设计与应用。
图中展示了 RBA 水凝胶从微观材料设计到器件功能实现的整体逻辑。RBA水凝胶是通过物理、化学和导电（PEDOT：PSS）网络的协同集成构建的。作者通过引入一种端氨基超支化聚合物（HBPN）作为多价物理交联剂，提供丰富的氨基功能位点，生成稳定交联点，从而形成致密均匀的分支网络。接着图示了一个基于 RBA 水凝胶应变传感器的信息交互系统，利用机器学习方法对摩尔斯电码信号进行实时解码和识别。
图2. RBA 水凝胶的机械性能和结构性能表征。
图中展示了不同 PVA:PAA 比例和 HBPN 含量对 RBA 水凝胶力学性能的影响。PVA:PAA 比例为7:3配方实现最佳拉伸强度与伸长率；1.6 wt% HBPN 显著增强水凝胶韧性和拉伸性能，同时优化导电性。循环拉伸实验和宏观承载测试显示水凝胶具有优异的可恢复性、耐久性和结构完整性，为柔性传感器器件提供可靠支撑。
图3. RBA水凝胶应变传感器的应变传感性能。
图中展示了RBA水凝胶应变传感器的封装分层结构，保证材料稳定支撑和电阻信号可靠输出，传感器在 10–200% 拉伸范围内表现出可重复、可逆的应变响应，且长期循环稳定，为可穿戴动作监测和信息交互提供基础。
图4. 用于监测人体运动的RBA水凝胶应变传感器的可穿戴演示。
图中展示了 RBA 水凝胶传感器可贴合手指、肘、膝关节以及面部，实现小幅和大幅动作的稳定追踪，并在跑步机实验中区分行走、慢跑和跑步状态。长期监测显示信号输出稳定，验证了其在连续可穿戴应用中的高可靠性和操作稳健性。
图5. RBA水凝胶应变传感器在医疗保健监测和辅助通信中的适用性。
文章中将手指弯曲动作转换为电阻信号，实现摩尔斯码数字、日常指令以及紧急求助的稳定输出，并通过轻量级 1D-CNN 自动识别信号，准确率达到96.26%，验证其在辅助通信和智能交互中的可行性。结果表明，RBA 水凝胶柔性传感器不仅能够稳定、高精度地实现非语言通信，还展示了其在智能辅助、健康监测和人机交互中广泛应用的潜力，为未来可穿戴多功能器件的发展提供了新方向。
读后感:
该文章的特色主要在于提出的超支化多臂交联策略有效解决了传统导电水凝胶力电性能难以兼顾的问题，成功制备出兼具高韧性（342.76 kJ m⁻³）与大应变（>300%）的RBA水凝胶。文章不仅证实了该材料优异的机械稳定性，更通过将其组装成柔性应变传感器，实现了对人体动作的精准监测，并创新性地结合1D-CNN算法达成了摩尔斯码辅助通信（识别准确率96.26%），充分展示了从材料创新到智能交互应用的完整闭环。
尽管当前研究在单一传感器层面已验证了其可靠性与实用性，但面向复杂的实际应用场景，仍存在一些值得探索的空间：例如，进一步提升水凝胶在极端温湿度环境下的长期稳定性以及多通道复杂动作的同步识别能力。此外，目前的演示多集中于单点（如手指、关节）监测，系统级的多部位集成与协同信号处理仍需进一步验证，这将决定该器件能否从实验室原型迈向复杂的可穿戴系统。
作者简介:
江西科技师范大学化学化工学院2025级硕士李嘉怡为论文第一作者，卢宝阳教授、Sooman Lim教授、李海博士为论文通讯作者。
【文献链接】
Li, J., Teng, J., Jia, X., Lin, Y., Zhang, L., Li, H., Lim, S., Lu, B.
A Superbranched Multi-Armed Crosslinking Strategy for Robust Conducting Polymer Hydrogels toward Wearable Sensing and Encrypted Communication. Wearable Electronics 3, 93–102 (2026).
https://doi.org/10.1016/j.wees.2026.03.002
期刊介绍:
Wearable Electronics （WE）是一本全方位关注可穿戴电子领域发展的开放获取型学术期刊，期刊刊发文章涵盖可穿戴电子的基础研究和技术应用两个方面，内容涉猎广泛，刊发文章包括但不限于：与可穿戴电子相关的材料（基底材料、金属互联材料、活性层材料、封装材料等）、功能器件（传感与探测器件、通讯器件、存储器件、显示与发光器件、能量转换与存储器件、数据采集与集成电路等）以及与之相关的先进制造技术及理论研究（建模、仿真、制造、集成、封装以及与可穿戴电子产品相关的应用技术等），致力于应对可穿戴电子领域及其核心技术出现的各类全新挑战。
期刊由电子器件、有机无机材料、集成技术等学科领域方向的高水平学术带头人组成国际化一流编委团队,海外编委专家约50%。编委队伍的专家均在相关领域深耕多年，在顶级学术期刊如Science、Nature、Nature系列大子刊，Advanced Materials等上发表论文多篇，在相关学术领域有广泛的影响力和号召力，编委成员H-index均值超过60。
期刊自2024年5月18日创刊以来，不到一年即被Ei Compendex、INSPEC、CAS（美国化学文摘）、EBSCOhost等多个数据库收录。在SD平台的平均单篇阅读量近3000次。
期刊近50%的文章被EurekAlert、 Newswise、 AlphaGalileo等新闻平台报道，受到广泛关注，多篇文章在Twitter、领英等社交媒体的关注度超万次，近40%发表的文章Almetric指数超过40。
我们诚挚地邀请您将研究成果发表在Wearable Electronics （WE）上。
高质量开放获取期刊：所有文章将经过严格的同行评审，发表在月活用户超过2000万的ScienceDirect平台，供全球读者免费阅读、下载及引用
数据库收录：ESCI，CAS，EBSCOhost, INSPEC, EI Compendex
审稿速度：初审一周，投稿到发表周期三个月
作者服务：严格评审，语言润色，制图，推广服务
期刊目前免收APC，欢迎投稿
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自科爱KeAi科学网博客。 链接地址： https://blog.sciencenet.cn/blog-3496796-1537530.html
上一篇： ENCECO| 暨南大学游静团队研究：稀有鮈鲫胚胎对香料化学品的敏感性：本土鱼类测试替代方法（NAM）研究 下一篇： Fundamental Research ｜ 胡洪营等：突破传统局限！基于生态节点生物的水生态阈值推导新框架