武大常春雨、宁波材料所陈涛/魏俊杰《Adv. Mater.》：面向超灵敏自供电离子皮肤的电场诱导双梯度水凝胶离子二极管

高分子科技 · 化学 · 5 天前

主要观点总结

武汉大学化学与分子科学学院博士生林杰涵等研究者采用电场诱导构建一体化双梯度水凝胶离子二极管的方法，成功制备出超灵敏的自供电压力传感器。该传感器具有高灵敏度、快速响应、低检测限等优异性能，可用于智能假肢、软体机器人和人机交互等领域。研究者通过双梯度结构和水凝胶内部的众多微异质结结构实现超高灵敏度和低界面电阻，显著提高仿生假肢的触觉感知能力和假肢系统的控制精度。该工作为研发适用于仿生假肢、软体机器人和人机交互的新型自供电柔性传感器提供了新的思路。相关工作发表在Advanced Materials等杂志上。

关键观点总结

关键观点1: 研究团队采用电场诱导方法制备了双梯度水凝胶离子二极管，具有超高的灵敏度和快速的响应能力。

该传感器可应用于智能假肢、软体机器人和人机交互等领域，显著提高仿生假肢的触觉感知能力和假肢系统的控制精度。

关键观点2: 双梯度水凝胶离子二极管的优异性能源于其内部形成的众多微异质结结构和低界面电阻。

这是通过一体化双梯度结构设计实现的，该结构在聚阴离子层和聚阳离子层之间形成了大量微异质结，从而具有更宽的响应区域和更低的界面电阻。

关键观点3: 该研究为研发新型自供电柔性传感器提供了新的思路。

该工作不仅为传感器领域的发展做出了贡献，也为智能假肢、软体机器人和人机交互等领域的发展提供了新的可能性。

正文

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智能可穿戴电子产品的蓬勃发展正在迅速改变人们的生活方式，而下一代可穿戴电子产品对传感器的精确性、安全性和电源依赖性等提出了更高的要求。其中，水凝胶离子二极管（Hydrogel ionic diode）凭借其优异的柔性、自供电特性和应力响应性成为极具潜力的候选材料之一，受到研究人员的广泛关注。然而，现有的水凝胶离子二极管传感器一般由两层带相反电荷的水凝胶组成，这种双层凝胶的高界面电阻和单一异质结结构导致器件力-电转换能力和灵敏度较低，难以满足仿生假肢、人机交互等领域的高灵敏传感需求。因此，解决水凝胶离子二极管在自供电传感中的界面问题，对促进高灵敏自供电传感技术发展具有重要意义，也极具挑战性。

近期，武汉大学化学与分子科学学院常春雨教授和中国科学院宁波材料所海洋关键材料全国重点实验室陈涛研究员、魏俊杰副研究员，提出了一种通过直流电场诱导阴离子电荷单体和阳离子电荷单体发生差异化定向迁移、聚集，从而制备一体化双梯度水凝胶离子二极管的通用方法（图1）。该方法制备的水凝胶离子二极管具备一体化结构，且水凝胶中固定电荷呈现双梯度分布，有效解决了传统双层结构的界面问题，使传感器灵敏度显著提升至1247.3 mV/MPa，并实现0.8 Pa的超低检测限。此外，将这种双梯度水凝胶离子二极管应用于仿生假肢，可极大提高仿生假肢的触觉感知能力和对假肢系统的控制精度，实现对豆腐等超软物体的无损抓取。相关成果以“Electric Field‐Induced Dual‐Gradient Heterojunction Diodes Toward Ultrasensitive Self‐Powered Ionic Skin”为题，发表在Advanced Materials上 (Adv. Mater. 2025, 2500949. DOI：10.1002/adma.202500949)。

图1.电场诱导的制备方法与在智能假肢手上离子皮肤的应用。

通过扫描电子显微镜（SEM）对水凝胶离子二极管的双梯度结构进行了表征（图2）。阴极侧和阳极侧附近的水凝胶网络的平均孔径明显大于中间区域，这是因为阴极侧附近的分子链上固定了更多的阳离子（−NH₃⁺）基团，阳极侧固定了更多的阴离子（−SO₃^-）基团，在静电排斥作用导致了更高的溶胀率。在此基础上，通过3D拉曼光谱技术直观地表征了水凝胶离子二极管中的特征基团分布，进一步验证了双梯度结构。

图2.水凝胶离子二极管双梯度结构的表征。

双梯度水凝胶离子二极管传感器具有实时检测能力，响应时间仅为0.14秒（图3）。相同条件下，灵敏度显著大于均质结构和双层结构的水凝胶离子二极管。在0.02 Hz的频率下，经过2000 次加载-卸载循环后，仍能稳定输出电压信号。将灵敏度、响应时间、检测下限、能量密度、工作频率等参数与已报道的水凝胶离子二极管相比，均显示出明显的优势。

图3.双梯度水凝胶离子二极管传感性能的表征。

为了探索双梯度水凝胶离子二极管的传感增强机理，该工作从界面电阻和电荷分布两个方面进行了研究（图4）。交流阻抗测试结果表明了双梯度结构相比于传统的双层结构具有更低的界面电阻。此外，与双层水凝胶离子二极管不同，一体化的双梯度水凝胶离子二极管在聚阴离子层和聚阳离子层之间没有明确的界面，而是在梯度互穿电荷网络上形成了大量微异质结，从而具有更宽的响应区域。因此，当受到10 kPa的压力时，双梯度水凝胶离子二极管的开路电压从10.2 mV增加到42.3 mV，增量值约为双层水凝胶离子二极管的5倍。

通过建立一个5×5像素的传感器阵列，该工作探索了双梯度水凝胶离子二极管在压力传感和成像中的应用。在传感器阵列上放置不同字母，通过测量传感器的开路电压变化，生成了相应的压力峰值映射（图5）。此外，通过将双梯度水凝胶离子二极管传感器粘附到手套表面，构建了一种用于感知物体的智能手套。当用智能手套拿瓶子时，每个手指关节都显示出不同的电压信号分布，对应施加在每个关节上的压力。

图4.双梯度水凝胶离子二极管的传感机理。

图5.双梯度水凝胶离子二极管在阵列传感方面的应用。

此外，得益于双梯度水凝胶离子二极管传感器的超高灵敏度，它可以用作智能假肢的“皮肤”，构建一个精确的假肢控制系统。传感器的电压信号随压力变化，由数据采集单元实时捕获后，经嵌入式算法模型判断分析，最终传输至假肢控制部件执行动作（图6）。该智能假肢能够无损抓取柔软物体（如豆腐、泡芙等），并能安全有效地与日常生活中的常见物体进行交互。该研究报道的自供电双梯度水凝胶离子二极管传感器具有超高灵敏度和超低检测下限，能够帮助假肢实现稳定的物体抓握，同时最大限度地减少抓握力，以避免物体的变形与破坏，对假肢的精确操作至关重要。

图6.用于智能假肢手的超灵敏离子皮肤实现与日常生活物品的互动。

总结：研究者们采用电场诱导构建一体化双梯度水凝胶离子二极管的方法得到了超灵敏的自供电压力传感器。研究证明，双梯度水凝胶离子二极管优异的传感性能源于其内部形成的众多微异质结结构和低界面电阻，同时检测限比现有水凝胶离子二极管低一个数量级。此外，所开发的双梯度水凝胶离子二极管传感器能够显著提高仿生假肢的触觉感知能力和对假肢系统的控制精度，能够无损抓取生活中的日常物品。该工作为研发适用于仿生假肢、软体机器人和人机交互的新型自供电柔性传感器提供了新思路。

文章第一作者是武汉大学化学与分子科学学院博士生/宁波材料所课题生林杰涵，通讯作者为常春雨教授、陈涛研究员、魏俊杰副研究员。本研究得到了中国科学院先导专项（No.XDB1210401）、宁波市重点研发计划（2023Z089）、浙江省自然科学基金（LD22E050008）和国家自然科学基金（52073217）的支持。