《AFM》大连海事大学徐敏义、纳米能源所王中林/唐伟：仿生两性离子水凝胶通过束缚水增强用于深海机器人流速传感

标题：Bioinspired Zwitterionic Hydrogels With Bound‑Water Reinforcement for Deep‑Sea Robotic Velocity Sensing

第一作者：Tingyu Wang, Yaning Chen, Yuzhuo Tian, and Mengwei Wu contributed equally to this work.

通讯作者： Zhong Lin Wang（王中林），Minyi Xu（徐敏义），Wei Tang（唐伟）

通讯单位： 中国科学院北京纳米能源与系统研究所 ；大连海事大学

DOI：doi.org/10.1002/adfm.76246

研究亮点

• 受深海三脚鱼（Bathypterois grallator）利用TMAO稳定蛋白的启发，设计PVA/PAAM‑pTMAO‑H₂SO₄三重网络水凝胶，压缩强度达26.9 MPa，韧性8.2 MJ·m⁻³。

• pTMAO通过超短N⁺–O⁻离子对强化水合层，结合H₂SO₄的Hofmeister效应形成致密结晶域，在10 MPa静水压下仍保留96.7%的电信号。

• 以该水凝胶为核心构建涡激振动传感器，结合物理信息神经网络，水下轨迹重建误差仅1.8%。

• 在渤海真实海洋环境中完成ROV下潜测试，平均速度估算误差仅3.62 mm·s⁻¹，为水凝胶基传感器首次现场验证。

深海高压环境对水下机器人的感知能力构成严峻挑战。刚性封装材料在极端压力下易发生脆性断裂，而软传感材料虽然顺应性好，却普遍存在结构塌陷和信号衰减问题。例如，压阻复合材料在20 MPa下灵敏度下降16.5%，PVDF的压电系数也随压力增加而降低。离子水凝胶虽被视为有潜力的替代方案，但多数报道的体系在1 MPa以上即发生网络密实化，导致离子传输通道受阻、电信号减弱。自然界中，深海鱼类通过积累两性离子渗透调节剂氧化三甲胺（TMAO）与水分子形成强氢键，在高压下保护蛋白质结构。受此启发，研究者设计了一种含pTMAO和H₂SO₄的三重网络水凝胶，旨在同时实现高机械强度和稳定的离子传导。

研究内容

该研究将pTMAO引入PVA/PAAm双网络骨架中，并利用H₂SO₄的Hofmeister效应诱导PVA链形成致密结晶域，制备了PP‑T‑H水凝胶。通过SEM、FTIR、XRD、DFT计算等手段解析了微观结构与分子机制。将水凝胶封装为涡激振动传感器（VIVS），在实验室高压模拟装置（0–10 MPa）和渤海现场（最大深度26.2 m）中评估了传感性能，并采用物理信息神经网络进行速度与航向角估计。

图1展示了仿生设计思路：三脚鱼利用TMAO稳定鳍条功能，水凝胶中pTMAO优先水化、SO₄²⁻促进PVA结晶，SEM显示PP‑T‑H具有致密纳米结构，FTIR和XRD证实结晶域形成。

图2展示了机械与电学性能：PP‑T‑H压缩强度26.8 MPa、韧性8.6 MJ·m⁻³，优于对照样；20次循环压缩能量耗散稳定；温度、盐度、pH影响较小；在10 MPa下信号保留96.7%（PP仅73.3%），且10周加压循环后信号可重现。

图3展示了VIVS流速传感性能：输出信号频率与流速呈线性关系（Strouhal数≈0.2），正交电极对信号幅值随入射角呈余弦/正弦变化，可确定流向；在0–10 MPa静压下波形稳定，能区分不同振荡角度。

图4展示了PINN状态估计：将双通道电压信号输入三层全连接网络，结合斯特罗哈尔频率约束的物理信息损失函数，PINN预测的速度RMSE为8.82 mm·s⁻¹（FCN为57.42 mm·s⁻¹），航向角RMSE为2.16°（FCN为33.84°），轨迹重建相对误差1.8%。

图5展示了渤海现场试验：ROV下潜时VIVS实时采集信号，PP‑T‑H水凝胶传感器（VIVS1）测得的下降速度与深度传感器参考值的平均误差为3.62 mm·s⁻¹，未改性PP水凝胶传感器（VIVS2）误差为8.86 mm·s⁻¹。

结果与展望

该研究通过仿生策略开发了pTMAO增强的三重网络水凝胶，利用束缚水强化和Hofmeister结晶协同机制，同时实现了高压缩强度（26.9 MPa）和高压下稳定的离子传导（信号保留96.7%）。基于此水凝胶的VIVS结合PINN，在实验室和渤海现场均展示了高精度流速感知与状态估计能力（轨迹误差1.8%，下降速度误差3.62 mm·s⁻¹）。这是水凝胶基传感器在真实海洋环境中的首次现场验证。未来需要解决长期浸水下的离子缓慢泄漏问题（如单向离子通道封装或采用更温和的电荷载体），并进一步向千米级深海部署推进。