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  由于自主運(yùn)動(dòng)與實(shí)時(shí)傳感功能在均質(zhì)材料中難以兼容，集成這兩大功能的軟體機(jī)器人開(kāi)發(fā)仍面臨挑戰(zhàn)。受自然界共生系統(tǒng)啟發(fā)，鄭州大學(xué)米皓陽(yáng)教授與湖南工業(yè)大學(xué)經(jīng)鑫教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)磁場(chǎng)誘導(dǎo)組裝策略開(kāi)發(fā)了一種納米復(fù)合導(dǎo)電水凝膠，該策略利用Fe₃O₄@MXene在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中形成梯度分布，從而實(shí)現(xiàn)了磁驅(qū)動(dòng)與應(yīng)變傳感能力的協(xié)同。所制備的水凝膠展現(xiàn)出多重特性：良好導(dǎo)電性（2.6 mS/cm）、高應(yīng)變靈敏度（GF=6）、寬應(yīng)變響應(yīng)范圍（0–580%）和優(yōu)異抗疲勞性（500圈），同時(shí)具備30° /s的快速磁驅(qū)動(dòng)速度。該研究的核心突破在于驅(qū)動(dòng)與傳感在單一材料中協(xié)同工作，使其能夠執(zhí)行程序化形變的同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這一特性通過(guò)仿生應(yīng)用得到展示，如抓取器能在感知物體后調(diào)整抓力，爬行器可實(shí)時(shí)追蹤自身運(yùn)動(dòng)軌跡。本研究為構(gòu)建具有內(nèi)在反饋機(jī)制的智能軟物質(zhì)提供了新范式，為自適應(yīng)軟體機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)及人機(jī)交互領(lǐng)域開(kāi)辟了新途徑。

  2025年11月26日，相關(guān)工作以Gradient-Structured Hydrogel with Integrated Actuation and Strain Sensing for Biomimetic Robotics為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。

圖1. (a) S_1:2M₂水凝膠與Fe₃O₄@MXene的制備示意圖；(b) 受鳥(niǎo)類捕食啟發(fā)的四爪磁控操縱器；(c) 仿捕蠅草水凝膠驅(qū)動(dòng)器的捕獲行為。

  力學(xué)與結(jié)構(gòu)表征結(jié)果表明：與純PNIPAM水凝膠（拉伸強(qiáng)度40 kPa，斷裂伸長(zhǎng)率160%）相比，引入AA/AM后材料性能顯著提升（拉伸強(qiáng)度110 kPa，斷裂伸長(zhǎng)率580%），驗(yàn)證了其增強(qiáng)作用。紅外光譜中N-H峰由3317 cm^-1移至3314 cm^-1，證實(shí)Fe₃O₄@MXene與聚合物基質(zhì)存在強(qiáng)相互作用。XRD圖譜顯示磁場(chǎng)誘導(dǎo)使Fe₃O₄@MXene的（002）峰位偏移，且隨濃度增加層間距從2.72 nm減小至2.57 nm，表明納米片發(fā)生有序排列。EDS元素分布圖證明Fe₃O₄在MXene表面均勻分布并形成異質(zhì)結(jié)。SEM圖像進(jìn)一步揭示，傳統(tǒng)水凝膠具有均質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)，而S_1:2M₂水凝膠沿厚度方向孔徑呈連續(xù)梯度變化，且朝向磁場(chǎng)方向孔徑逐漸減小，該結(jié)構(gòu)與Fe₃O₄@MXene的空間重排相關(guān)。

圖2. （a）PNIPAM、P(NIPAM-co-AM)及P(NIPAM-co-AA-co-AM)水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）P(NIPAM-co-AA-co-AM)水凝膠及與其Fe₃O₄@MXene復(fù)合后的紅外光譜；（c）S_n:2M₂、S_1:2M₁與S_1:2M₂水凝膠的一維廣角X射線衍射圖譜；（d）Fe₃O₄@MXene的EDS元素分布圖；（e）S_n:2M₂與(f) S_1:2M₂水凝膠橫截面的低倍與高倍SEM對(duì)比圖。

  在拉伸過(guò)程中，梯度水凝膠中的Fe₃O₄@MXene在磁場(chǎng)與力場(chǎng)共同作用下發(fā)生分布變化，為導(dǎo)電與應(yīng)變傳感的雙重響應(yīng)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。磁場(chǎng)誘導(dǎo)可有效調(diào)控應(yīng)變靈敏度，其GF值隨Fe₃O₄含量增加呈先升后降趨勢(shì)，并與材料在磁場(chǎng)方向上的積累相關(guān)；僅含Fe₃O₄的水凝膠靈敏度較差，表明MXene對(duì)提升傳感性能具有關(guān)鍵作用。S_1:2M₂水凝膠表現(xiàn)出最優(yōu)電導(dǎo)率與應(yīng)變響應(yīng)，說(shuō)明納米復(fù)合材料組成的重要性。等效電路模型進(jìn)一步揭示，磁場(chǎng)對(duì)齊后的結(jié)構(gòu)（R_n）具有最低電阻，優(yōu)于無(wú)序（R_k）與高濃度堆疊狀態(tài)（R_m），說(shuō)明Fe₃O₄通過(guò)促進(jìn)磁取向與降低界面電阻，有效增強(qiáng)了電荷傳輸效率。

圖3. （a）梯度水凝膠拉伸時(shí)內(nèi)部Fe₃O₄@MXene納米顆粒構(gòu)型演變示意圖；不同組分水凝膠的（b-d）應(yīng)變靈敏度及（e-g）電導(dǎo)率；（h-j）不同狀態(tài)（無(wú)磁場(chǎng)、非堆疊、緊密堆疊）下Fe₃O₄@MXene與聚合物鏈的構(gòu)型與等效電路模型

  S_1:2M₂在0-450%應(yīng)變范圍內(nèi)呈現(xiàn)三個(gè)線性響應(yīng)區(qū)間，應(yīng)變系數(shù)（GF）分別為2.91、4.25和6.00，擬合優(yōu)度接近1，展現(xiàn)出精準(zhǔn)的應(yīng)變檢測(cè)能力。在循環(huán)階梯拉伸及不同速率（10-200 mm/min）與大、小應(yīng)變范圍（1-6%至10-100%）測(cè)試中，其電阻響應(yīng)快速穩(wěn)定、重復(fù)性高，作為腕部可穿戴傳感器時(shí)響應(yīng)時(shí)間僅70 ms，適用于實(shí)時(shí)生物應(yīng)變監(jiān)測(cè)。溫度傳感方面，在低溫區(qū)（0-31℃）與高溫區(qū)（31-45℃）的電阻溫度系數(shù)（TCR）分別為-2.80%/℃和-0.54%/℃，適用于生理溫度監(jiān)測(cè)。紅外熱成像直觀證實(shí)其熱敏感性，且在20%應(yīng)變下經(jīng)500次循環(huán)后信號(hào)仍保持穩(wěn)定，耐久性優(yōu)異。綜合來(lái)看，S_1:2M₂在檢測(cè)限、響應(yīng)速度及溫度響應(yīng)方面均優(yōu)于多數(shù)同類系統(tǒng)。

圖4. S_1:2M₂的傳感性能(a) 在0-450%應(yīng)變范圍內(nèi)的相對(duì)電阻變化（ΔR/R₀）及對(duì)應(yīng)的靈敏度（GF），(b) S_1:2M₂在應(yīng)變（0-100%）下的ΔR/R₀響應(yīng)；(c) 手腕彎曲時(shí)應(yīng)變傳感器的響應(yīng)時(shí)間；ΔR/R₀在(d) 1%-6%，(e) 10%-100%的應(yīng)變，(f)10-200 mm/min 的不同速率下的變化；(g) 在20°C 至80°C 的溫度范圍內(nèi)，相對(duì)電阻的變化及其對(duì)應(yīng)的溫度系數(shù)（TCR）；（h）S_1:2M₂與先進(jìn)水凝膠系統(tǒng)在多功能能力上的對(duì)比；（i）S_1:2M₂與其他類似水凝膠基傳感器在響應(yīng)時(shí)間上的對(duì)比分析；（j-l）S_1:2M₂在 20℃、35℃、80℃下的紅外熱成像圖像；（m）應(yīng)變傳感器在 20%應(yīng)變下連續(xù)500個(gè)周期的ΔR/R₀變化

  S_1:2M₂水凝膠在人體運(yùn)動(dòng)與生理信號(hào)監(jiān)測(cè)中表現(xiàn)出優(yōu)異性能：它不僅能靈敏檢測(cè)皺眉、微笑等細(xì)微面部表情，還能準(zhǔn)確識(shí)別15°至90°不同手指彎曲角度，并在固定角度下保持信號(hào)穩(wěn)定；同時(shí)可有效監(jiān)測(cè)肘、膝、腕等關(guān)節(jié)的大幅度運(yùn)動(dòng)，電阻變化與實(shí)際動(dòng)作狀態(tài)高度吻合。在與商用水凝膠電極的對(duì)比中，S_1:2M₂在脈搏與心電圖處采集的波形與商用產(chǎn)品幾乎一致，展現(xiàn)出作為健康監(jiān)測(cè)電極材料的應(yīng)用潛力。

圖5. 基于S_1:2M₂的應(yīng)變傳感器在監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)方面的性能表現(xiàn)。傳感器對(duì)于(a) 皺眉和(b) 微笑等微小應(yīng)變的相對(duì)電阻變化。(c)使用該應(yīng)變傳感器感知食指以不同角度（15°、30°、60°和 90°）彎曲的信號(hào)。大應(yīng)變下(d) 手肘彎曲、(e)膝蓋彎曲和(f)手腕彎曲的相對(duì)電阻變化；（g）商用水凝膠電極與S_1:2M₂水凝膠電極的對(duì)比；（h）脈搏信號(hào)采集的傳感器放置位置；（i）心電圖信號(hào)采集的傳感器放置位置；商用水凝膠電極在(j)脈搏和(m)心臟處的ECG信號(hào)；S_1:2M₂水凝膠電極在(k)脈搏和(m)心臟處的ECG信號(hào)

  在磁驅(qū)動(dòng)下，四爪操縱器可模仿鳥(niǎo)類捕食精準(zhǔn)抓取物體；仿生捕蠅草在靠近目標(biāo)時(shí)快速向上彎曲并完成捕捉，同步監(jiān)測(cè)到的電流變化證實(shí)了驅(qū)動(dòng)與自傳感在單一結(jié)構(gòu)中的同步實(shí)現(xiàn)。S_1:2M₂可在水中通過(guò)外部磁場(chǎng)控制實(shí)現(xiàn)定向游動(dòng)，垂直放置時(shí)最大驅(qū)動(dòng)角度達(dá)34°，響應(yīng)速度為34°/s，且電阻變化率與驅(qū)動(dòng)角度顯著正相關(guān)，體現(xiàn)了梯度結(jié)構(gòu)與Fe₃O₄@MXene磁性能的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)。此外，通過(guò)溫度觸發(fā)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證其能將感知信號(hào)轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)行為，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高溫物體的選擇性捕捉。

圖6. （a）四爪操縱器在磁驅(qū)動(dòng)下抓取小物體，模仿鳥(niǎo)類捕食行為；（b）具有捕食能力的仿生捕蠅草；（c）S_1:2M₂水凝膠在水中磁驅(qū)動(dòng)作用下游動(dòng)

  電化學(xué)阻抗譜與電導(dǎo)率測(cè)試表明，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度從825 mT減弱至113 mT，水凝膠的電導(dǎo)率相應(yīng)降低。SEM形貌分析進(jìn)一步顯示，磁場(chǎng)強(qiáng)度越低，內(nèi)部梯度結(jié)構(gòu)越不明顯。性能上，強(qiáng)磁場(chǎng)下制備的水凝膠在水中游動(dòng)和物體抓取中表現(xiàn)更優(yōu)；同時(shí)，驅(qū)動(dòng)角度隨磁鐵數(shù)量增加而增大，證實(shí)了強(qiáng)磁場(chǎng)形成的清晰梯度結(jié)構(gòu)對(duì)提升導(dǎo)電性與驅(qū)動(dòng)性能具有關(guān)鍵作用。

圖7. （a）單塊磁鐵形成的磁場(chǎng)示意圖；（b）兩塊磁鐵形成的磁場(chǎng)示意圖；（c）不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下S_1:2M₂的EIS圖譜；（d）不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下 S_1:2M₂的電導(dǎo)率；（e-h）分別為 825 mT、553 mT、200 mT、113 mT磁場(chǎng)強(qiáng)度下 S_1:2M₂的形貌結(jié)構(gòu)；（i）S_1:2M₂在水中的游動(dòng)狀態(tài)；（j）水凝膠抓手的狀態(tài)；（k）不同磁場(chǎng)條件下磁場(chǎng)誘導(dǎo)的S_1:2M₂水凝膠驅(qū)動(dòng)角度變化

  總結(jié)：本研究提出了一種磁場(chǎng)誘導(dǎo)組裝策略，通過(guò)在溫敏性共聚物網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建Fe₃O₄@MXene納米材料的梯度分布，突破了傳統(tǒng)均質(zhì)水凝膠難以協(xié)同實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)與傳感的局限。該材料在單一結(jié)構(gòu)中整合磁驅(qū)動(dòng)與實(shí)時(shí)自感知功能，形成了“感知-驅(qū)動(dòng)”一體化閉環(huán)。Fe₃O₄與MXene的協(xié)同作用賦予水凝膠高導(dǎo)電性、磁響應(yīng)性與力學(xué)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了寬應(yīng)變范圍的高靈敏度監(jiān)測(cè)與快速磁驅(qū)動(dòng)。該水凝膠在仿生抓手、可穿戴傳感及生理信號(hào)檢測(cè)等方面展現(xiàn)出廣泛應(yīng)用潛力，為智能軟材料與軟機(jī)器人的發(fā)展提供了新范式。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202524820