湖南工业大学经鑫/郑州大学米皓阳AFM：超薄透气离子凝胶薄膜实现高精度运动监测

近年来，柔性电子皮肤（e-skin）因其能够与人体皮肤高度贴合并实现长期稳定的生理信号监测，在健康管理、人机交互和智能医疗等领域展现出巨大潜力。然而，传统导电凝胶材料如氢凝胶，虽具备良好的生物相容性和导电性，却普遍存在厚度大、透气性差、易脱水和低温易脆等问题，严重限制了其在实际可穿戴应用中的可靠性与舒适性。

针对这一挑战，湖南工业大学经鑫教授和郑州大学米皓阳教授合作提出了一种通过氢键与离子-偶极协同策略构建的纳米网增强型超薄离子凝胶薄膜（UIF），其厚度仅12微米，却展现出卓越的综合性能：高灵敏度（应变系数达2.37）、宽温域稳定性（-40°C至60°C）、大应变响应范围（0–483%）和优异的抗疲劳性。更引人注目的是，该薄膜具备极高的水蒸气透过率（2464.4 g·m⁻²·day⁻¹），显著提升了皮肤透气性，克服了传统可穿戴材料的关键局限。结合人工神经网络（ANN）算法，该传感器系统对人膝部运动信号的实时识别准确率高达96.6%，为下一代高性能电子皮肤的发展奠定了坚实基础。相关论文以“Breathable, Nanonet-Reinforced Ultrathin Ionogel Film via Hydrogen Bonding-Ion Dipole Synergy for Multifunctional Wearable Sensors”为题，发表在

Advanced Functional Materials

研究团队通过将热塑性聚氨酯（TPU）纳米网与离子凝胶前驱体复合，经紫外光交联制备出UIF。该纳米网结构不仅提供了良好的机械支撑，还因其多孔特性显著增强了薄膜的透气性（图1a–e）。扫描电镜图像显示，经过乙醇浴退火和等离子处理的TPU纳米网形成卷曲结构，有效增强了能量耗散和界面相容性（图2a–b）。与常规离子凝胶膜（CHF）相比，UIF表现出更均匀的多孔结构和更大的孔径分布（图2c–d）。傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱分析进一步证实了PAA羧基与离子液体中咪唑环之间的强氢键作用，这是其优异机械稳定性的关键（图2e–i）。

图1. UIF的设计与多功能特性示意图。（a）UIF结构设计；（b）功能特性；（c）组分间键合机制；（d）运动前后覆盖CHF与UIF的前臂皮肤照片；（e）与以往研究相比的多功能性能总结。

图2. （a）eTPU纳米网的SEM图像；（b）UIF截面形态；（c）UIF与（d）CHF的SEM图像及对应孔径分布；（e）纳米网、CIF和UIF的FT-IR光谱；（f）XPS全谱扫描；（g–i）C 1s高分辨率XPS谱：纳米网、CHF和UIF；（j）UIF贴附于手指的照片，展示超薄、超轻和柔性；（k）UIF厚度测量；（l）UIF与皮肤无缝贴合；（m）静态与挤压状态下UIF贴附于手臂；（n）UIF在花朵上拉伸展示。

UIF的极薄结构（约12 μm）赋予其出色的透明性和柔韧性，可见光透过率超过90%，使其能够紧密贴合并实时显示皮肤状态（图2j–m）。该薄膜还表现出卓越的耐穿刺性和热稳定性，仅在365°C时出现10%的重量损失，玻璃化转变温度低至-40°C，在极端环境下仍保持稳定的机械与电学性能（图2n；图S10–S12）。力学测试表明，UIF的拉伸强度和韧性分别达到0.85 MPa和177 MJ·m⁻³，显著优于对照组（图3a–b）。循环拉伸实验表明其具备良好的回复性和耐久性（图3c–d）。研究人员提出其增强机制源于脆性离子凝胶网络与柔性纳米网的双相复合结构，有效分散应力并抑制裂纹扩展（图3e–h）。

图3. UIF的力学性能。（a）CHF与UIF的应力-应变曲线；（b）断裂前的韧性；（c）50%–200%应变下的循环拉伸曲线；（d）50%应变下500次拉伸循环；（e）CHF与（f）UIF的增韧机制示意图；（g）带裂纹UIF的拉伸行为；（h）不同载荷下的拉伸演示。

在传感性能方面，UIF表现出高灵敏度与快速响应特性，在0–150%和150–300%应变区间内应变系数分别为1.71和2.37（图4a）。其电阻响应在不同拉伸速率和阶梯应变下均保持高度稳定和可逆（图4b–d），响应与恢复时间分别为400 ms和390 ms（图4e–f），且在千次循环中信号衰减可忽略（图4g）。此外，UIF对多种基底（如玻璃、塑料、金属等）表现出强粘附性（约23 kPa），这源于其丰富的极性基团与界面多重作用力（图5a–c）。该材料还具备显著的抗菌性能，对大肠杆菌的抗菌率达99%，并具有良好的细胞相容性，细胞存活率达88%（图5d–h）。

图4. UIF的机电与传感性能。（a）应变系数；（b）10%–150%应变下的响应信号；（c）不同拉伸速率下的电阻变化；（d）阶梯应变下的响应；（e）100%应变下的响应行为；（f）响应时间放大；（g）50%应变下1000次循环的电阻稳定性。

图5. UIF的粘附性与抗菌性能。（a）粘附测试示意图；（b）拉伸应力-位移曲线；（c）U在不同材料上的粘附照片；（d–e）对大肠杆菌的抗菌效果；（f）杀菌机制示意图；（g）H9C2细胞在UIF和TCPS上的活/死染色；（h）细胞存活率统计。

透气性测试显示，UIF的水蒸气透过率接近开口瓶的水平，远高于人体汗液蒸发速率，有效避免长时间佩戴引起的皮肤不适和红斑（图6a–i）。在实际应用中，研究团队开发了基于UIF的智能手套系统，可实时捕捉手指运动信号，实现手势识别与莫尔斯电码解码（图7a–c）。此外，通过在多位置布置传感器阵列并结合机器学习算法，系统能准确识别膝部不同运动模式，整体识别精度达96.6%（图8a–e）。

图6. UIF的透气性与汗液渗透性。（a）水蒸气透过UIF的照片；（b）WVTR对比；（c）与以往研究的透气性比较；（d）前臂贴附UIF、CHF和3M胶带；（e）24小时后皮肤刺激情况；（f）跳绳过程中UIF透气性示意图；（g）运动前后红外热成像；（h）裸露皮肤、CHF和UIF覆盖下的温度与汗液情况；（i）沸水瓶口覆盖不同材料的红外图像。

图7. （a）智能手套系统构成；（b）不同手指运动下的响应曲线；（c）UIF用作电容笔的操作照片。

图8. 用于膝部运动检测的UIF传感器。（a）三个传感器布置及对应信号；（b）C3传感器在行走和跑步中的信号；（c）基于CNN的运动识别框架；（d）识别准确性与损失曲线；（e）不同运动模式的混淆矩阵。

该研究通过氢键-离子偶极协同策略成功制备出兼具超薄、高透气、高稳定性和多功能传感特性的离子凝胶薄膜，解决了电子皮肤在舒适性、环境适应性和信号精度之间的平衡难题。UIF不仅在极端环境下表现出色，还可与人工智能算法结合，实现高精度人体运动识别与健康监测，为未来可穿戴设备在医疗、人机交互等领域的应用提供了新的技术路径。

来源：高分子科学前沿

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