当前，柔性传感器在人工智能、物联网和可穿戴技术领域至关重要，尤其是刺激响应型传感器能模拟人体皮肤的柔软度和触觉特性，在电子皮肤、类人机器人和个人健康监测等领域应用广泛。水凝胶虽在该领域展现出潜力，但传统水凝胶存在明显局限，例如现有刺激响应水凝胶多数仅擅长单一功能，难以整合先进人工皮肤等应用所需的机械稳健性、可靠传感能力和自适应响应等多种关键性能

近日，北京服装学院王文庆教授团队在期刊《Mater. Horiz.》上，发表了最新研究成果“Skin-inspired high-strength, adhesive, healableand smart thermoregulation hydrogel sensors formulti-sensing via one-pot PET-RAFT”。研究者通过采用紫外光诱导的光致电子转移可逆加成 - 断裂链转移（PET-RAFT）技术，合成了聚（N - 异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）/ 聚吡咯（PPy）与对位芳纶纳米纤维（ANFs）复合水凝胶（NPAH）；该复合水凝胶中，PPy 和 ANFs 的加入大幅提升了机械强度（从 PNIPAM 水凝胶的 0.1069 MPa 提升至 NP₅₈A₄H 复合水凝胶的 0.9190 MPa），还具备优异的自愈合性能（6 小时愈合后拉伸强度恢复率达 91%）、强粘附性，能有效响应温度和应变变化（温度相对电阻变化为 1.2%℃⁻¹，应变灵敏系数 GF=1.37），可检测张力和监测人体运动，同时 PPy 的光热转换能力将 PNIPAM 的低临界溶解温度（LCST）相变温度提升至 31.9℃，并能实现 “透明 - 不透明” 转变及最高 9.6℃的温差调温，在穿戴式医疗保健、人机界面和智能热管理领域展现出巨大潜力。

图1：（a）展示 NPAH 复合水凝胶的制备流程示意图；（b）呈现 NPAH 的结构示意图，显示 PNIPAM、PPy、ANFs 的分布及氢键相互作用；（c）雷达图，将本研究的水凝胶与以往报道的水凝胶（Ref.51-55）在拉伸强度、自愈合效率、粘附性、温度敏感性等关键性能上进行对比；（d）展示 NPAH 附着在人体上作为应变传感器监测运动的示意图，同时体现其保温性能和粘附性

图 1（多功能 NPAH 的设计）：该图全面展示了 NPAH 复合水凝胶的设计思路与核心优势。其中，（a）图清晰呈现了通过 PET-RAFT 技术制备 NPAH 的流程，包括 NIPAM、ANFs 等原料混合，在紫外光照射下发生聚合反应形成水凝胶；（b）图揭示了 NPAH 的微观结构，PNIPAM、PPy 与 ANFs 相互交织，通过氢键等作用形成稳定网络；（c）图的雷达图对比显示，与以往报道的水凝胶（Ref.51-55）相比，本研究的水凝胶在拉伸强度（0.9190MPa）、自愈合效率（6 小时 91%）、粘附性（对亚克力达 18.67kPa）、温度敏感性（1.2%℃⁻¹）和应变灵敏系数（GF=1.37）等方面综合性能更优，还具备额外的溶胀抗性；（d）图展示了 NPAH 作为仿皮肤传感器的应用场景，可附着在人体表面监测运动，同时兼具保温和强粘附特性，直观体现其实际应用价值。

图2：不同 PET-RAFT 条件下 NIPAM 聚合的分子量及分散性变化

图 2系统研究了 PET-RAFT 聚合制备 PNIPAM 时各条件对产物的影响。（a）图显示，光催化剂（PTH）用量对单体转化率影响较小（均约 65%），但高浓度 PTH 使分子量分散性略窄（PDI 约 1.25），因高浓度 PTH 可减少体系中自由基含量，提升反应可控性；（b）图表明，较高单体浓度更易获得高分子量且窄分散性的 PNIPAM，这是由于单体浓度升高增加了自由基与单体的碰撞概率；（c）图体现，光强为 50μW/cm² 时，PNIPAM 分子量达 16075g/mol 且 PDI 低至 1.19，但过高光强会导致单体转化率和分子量轻微下降；（d）图和（e）图显示，不同目标聚合度（DP）下，PNIPAM 的分子量与理论值吻合度高，且 GPC 图谱呈单峰对称分布，分散性窄（D<1.27），证明 PTH 可有效介导 PET-RAFT 聚合，实现对 PNIPAM 分子量和分散性的良好控制。

图 3：水凝胶的形貌、结构及组分表征

图 3通过多种手段验证了水凝胶的结构与组分结合情况。（a）-（c）图的 SEM 图像及孔径分布显示，NH、NP₅₈H、NP₅₈A₄H 均呈三维网状多孔结构，平均孔径分别为 8.16μm、5.77μm、3.27μm，加入 PPy 和 ANFs 后孔径逐渐减小，形成更致密结构，利于提升机械强度和抗溶胀性；（d）图的 FTIR 光谱中，PNIPAM 的特征峰（3272cm⁻¹、1630cm⁻¹ 等）、PPy 的特征峰（1063cm⁻¹）及 ANFs 的特征峰（821cm⁻¹）均在对应水凝胶中出现，证明各组分成功结合；（e）图的 GPC 曲线显示，加入 PPy 后水凝胶分子量显著提升；（f）图的 TEM 图像显示，ANFs 在水介质中呈纤维状，长径比大且径向尺寸均匀，为水凝胶提供机械支撑。

图 4：水凝胶的溶胀与脱水行为

图 4研究了了水凝胶的溶胀和脱水特性及组分的影响。（a）图示意图解释了 PNIPAM 的温敏行为：20℃时亲水，与水分子形成氢键使水凝胶溶胀；40℃时疏水，链间形成氢键使水凝胶收缩；（b）图和（c）图显示，随 Py 或 ANFs 含量增加，水凝胶在 20℃下的溶胀度逐渐降低，因 Py 增加疏水作用、ANFs 通过氢键提升交联密度，共同抑制水分子进入；（d）图和（e）图表明，40℃下，加入 Py 和 ANFs 的水凝胶失水量更快，30 分钟后趋于平衡，且 ANFs 的促进作用更显著，这是由于 ANFs 形成的亲水通道加速水分逸出，同时破坏 PNIPAM 表面致密疏水层，避免水分滞留。

图 5：水凝胶的机械性能与自愈合能力

图5全面评估了水凝胶的机械强度和自愈合性能。（a）图显示，随 Py 含量增加，水凝胶拉伸强度从 NH 的 0.1069MPa 提升至 NP₅₈H 的 0.3119MPa，应变保持较好（307.0%），但过量 Py 会因 π-π 堆积破坏氢键导致强度下降；（b）图体现，加入 ANFs 后，NP₅₈A₄H 拉伸强度达 0.9190MPa，虽伸长率降至 20.2%，但仍为当前 PNIPAM 基水凝胶中的较高水平，因 ANFs 的芳香族主链及与 PNIPAM 的强相互作用构建了稳健网络；（c）图和（h）图显示，NP₅₈A₄H 愈合 6 小时后拉伸强度恢复至原强度的 91%（从 0.9190MPa 降至愈合后的 0.8351MPa），且伸长率随愈合时间延长显著提升；（d）图柱状图直观对比了不同水凝胶的机械强度差异；（e）图和（f）图的流变数据显示，愈合后的水凝胶与原水凝胶具有相似的粘弹性，证明自愈合过程有效，这归因于水凝胶内部动态氢键和 π-π 键的可逆断裂与重组。

图 6：水凝胶的粘附性能

图6系统分析了水凝胶的粘附能力及基材影响。（a）图展示了搭接剪切法测试粘附强度的原理；（b）图实物图显示，水凝胶可成功附着在亚克力、橡胶、金属等多种基材表面；（c）图对比表明，NP₅₈A₄H 对亚克力的粘附强度（18.67kPa）远高于 NH（2.32kPa）；（d）图和（e）图显示，NP₅₈A₄H 对不同基材的粘附强度不同，对亚克力最强（18.67kPa），其次为木材、PET 等，对铜最弱，这是由于水凝胶中的羟基、羰基等官能团与基材表面形成氢键、π-π 相互作用等，且基材亲水性、表面结构也会影响粘附效果，同时多孔水凝胶结构可通过 “胶钉效应” 提升 bonding 性能。

图 7：水凝胶的应变传感性能

图7验证了水凝胶传感器在温度、压力及人体运动监测中的应用效果。（a）图显示，NP₅₈A₄H 置于 40℃环境中，电阻约下降 21%，且在接近 LCST 时电阻骤降，体现显著温度敏感性；（b）图表明，30-50℃范围内，传感器电阻随温度升高逐渐下降，且波形可重复，具备温度响应和恢复能力；（c）图显示，传感器在不同压力下电阻变化明显，可区分压力差异；（d）-（g）图体现，传感器附着在手指、手腕、肘部时，能准确检测不同关节的弯曲角度和运动方向，手指按压动作也能产生稳定信号，且信号振幅和形状可区分不同身体部位的运动；（h）图和（i）图显示，传感器接触热源时电阻骤降，接触冰板时电阻骤升，从室温水中转移到其他温度水环境时也能产生区分性信号，不仅能检测温度和应变，还可通过信号波形差异区分两种刺激，展现多模态传感优势。

图 8：水凝胶的调温性能

图8评估了水凝胶的光热转换和调温能力。（a）图和（c）图的室外实验显示，在峰值太阳辐照度 2.15mW/cm² 下照射 20 分钟，NH、NP₅₈H、NP₅₈A₄H 的温度分别达 39.4℃、50.1℃、49.0℃，NP₅₈H 和 NP₅₈A₄H 的温度比 NH 分别高 10.7℃、9.6℃，证明 PPy 的光热转换能力显著提升水凝胶的吸热效果；（b）图和（d）图的氙灯模拟实验显示，空白组水温升高 5℃，NH 组升高 3.7℃，NP₅₈H 组仅升高 1℃，NP₅₈A₄H 组升高 2.2℃，表明水凝胶具备优异隔热性能，且 PPy 可加速 PNIPAM 相变，提升光吸收和热屏蔽效果；（e）图的 DSC 曲线显示，NH、NP₅₈H、NP₅₈A₄H 的 LCST 分别为 32.1℃、30.8℃、31.9℃，PPy 使 LCST 轻微下降（因疏水作用），ANFs 则通过氢键使 LCST 回升，最终 NP₅₈A₄H 的 LCST 接近人体体温，保障其调温应用的实用性。

结论

综上所述，这种水凝胶实现了对外部环境温度和各种应变（张力、压力和人体运动）的高灵敏度传感，表现出对人体皮肤感知的出色模拟。这使得能够同时监测关节运动、触摸、压力和环境温度。此外，其抗溶胀性、隔热性和机械鲁棒性（高强度和自愈特性）确保了在恶劣工作条件下可靠的信号采集。据我们所知，这代表了已报道的水凝胶中对人类皮肤理化特性和感官功能最全面的模仿。我们的方法为设计具有协同物理化学卓越性和超高灵敏度的水凝胶建立了新的范式。至关重要的是，NP58A4H的热管理功能可以降低户外活动期间的皮肤表面温度，从而解决可穿戴电子产品领域的重大挑战。基于这种水凝胶的集成多功能传感器有助于无缝运动跟踪、连续健康参数监测（例如体温、关节弯曲角度）以及通过蓝牙的无线数据传输。同时，节能且无溶剂的一锅光聚合工艺可实现可扩展的制造，为符合绿色化学原理的下一代户外兼容的柔性可穿戴设备铺平了道路。

论文链接：10.1039/d5mh01449b

作者简介：

王文庆，通讯作者，北京服装学院材料设计与工程学院长聘教授、硕士生导师，北京理工大学博士，清华大学博士后。目前，其研究主要集中于功能与智能聚合物及纤维材料的研发，重点招生与研究课题方向包括织物表面阻燃整理技术、新型生物质及纳米阻燃剂、柔性火预警材料及智能柔性传感器。在科研成果方面，以第一作者或通讯作者在Materials Horizons、Polymer Degradation and Stability、Journal of Biological Macromolecules等国际期刊发表学术论文30余篇，申请、授权发明专利10余项，荣获3项国际奖项，包括2024年国际纺联可持续与创新奖，获批北京市科协2023-2025青年托举人才、北京市属高校教师队伍优秀青年人才。

闫一帆，第一作者，北京服装学院材料设计与工程学院2023级硕士研究生，研究领域为多功能高分子水凝胶、智能气凝胶纤维等柔性可穿戴传感器。以第一作者在Mater. Horiz.等发表论文，曾获得中国大学生机械工程创新创意大赛二等奖，中国纺织类高校大学生创意创新创业大赛二等奖，“挑战杯”首都大学生课外学术科技作品竞赛主体赛三等奖等，主持北京服装学院研究生科研创新项目等。