《AM·综述》北航潘曹峰，山理丛海林/郝三伟、大连工业邵长优：多功能水凝胶界面，重塑柔性电子的未来！

【科研摘要】

柔性电子正从单一功能器件迅速演化为具备多模态感知、智能闭环控制和自主操作能力的集成系统。这一范式转变要求材料不仅具有优异的柔韧性和导电性，还需能够与生物组织协同交互、收集能量、转换多模态信号并实现自适应反馈，充当物理世界与数字世界之间的动态桥梁。水凝胶因其高含水量、类组织柔软性、生物相容性、可调控的物理化学性质以及高度可设计性，已成为下一代生物集成电子的基础平台。然而，随着分布式传感、体内纵向监测和个性化干预成为标准实践，水凝胶传感器的评价基准已从峰值灵敏度和响应时间参数转向在真实环境条件（包括汗液、温湿度波动、多轴应变、无线遥感和有限功率）下的持续性能。因此，能量收集管理同信号保真度的协同设计已成为将多功能水凝胶基电子转化为临床实践的关键转折点。

近年来，水凝胶界面在分子设计、功能复合和器件集成方面取得了显著进展。在分子层面，共价键、动态共价键和非共价键的合理部署实现了机械鲁棒性和本征自愈合行为的同时增强。多网络结构的进展显著提高了强度和抗疲劳性，而导电纳米填料（如导电聚合物、碳纳米材料和MXenes）的集成则显著扩展了电学功能和应用范围。在制造方面，先进制造技术（包括墨水直写、光刻微纳图案化、激光微加工和剪纸/蛇形布局工程）已实现了从二维到三维、从均质到异质构型的精准跨尺度结构控制，从而为复杂功能集成提供了基础平台。如图1所示，该图描绘了多功能水凝胶界面在柔性电子中的演化历程，展示了其从初始材料开发，经过多模态传感和能量收集的功能增强，最终迈向集成AI驱动反馈和生物医学应用的系统级智能。

目前，大多数关于水凝胶基柔性电子的研究仍局限于单一功能或平行分类，缺乏对多模态协同和系统级集成的综合分析。特别是，人工智能和物联网技术的快速演进显著提高了对下一代柔性电子的需求。因此，水凝胶界面已从被动的单一功能材料演化为能够感知、能量管理和决策的动态自适应平台。这一范式转变凸显了对一篇全面综述的迫切需求——该综述不仅要总结最新进展，还需重新定义智能系统中水凝胶材料的基本要求。闭环生物界面、自主软机器人和环境响应传感器等新兴应用对支持AI算法无缝集成、促进实时数据处理和维持节能运行提出了新的标准。此外，数字孪生、机器学习辅助材料设计和可持续生命周期管理的融合，要求水凝胶系统兼具功能精密性和生态可行性。因此，系统审视这些方面对于弥合材料级创新与系统级智能之间的鸿沟至关重要，从而引导水凝胶基技术朝着真正自适应、互联互通和可持续的智能系统方向发展。

北京航空航天大学潘曹峰,山东理工大学丛海林/郝三伟、大连工业大学邵长优在《Advanced Materials》期刊上发表了题为《Multifunctional Hydrogel Interfaces: Reshaping the Future of Flexible Electronics》的综述论文。该文章提出了以能量-信号双耦合为核心的"材料-器件-系统"框架，将水凝胶从被动基底转化为能够同时实现传感、能量收集、通信和决策的活性平台，系统总结了制备策略、先进加工与微纳制造技术方面的最新进展，讨论了AI引导的逆向设计、数字孪生建模和原位表征等范式转变方法，为水凝胶基柔性电子向智能、自主和环境自适应系统演化提供了路线图。该文章Boya Song和Jing Zhang为共同一作。

【主图导读】

图1: 水凝胶界面向下一代智能柔性电子的演化历程。

图2: 用于多模态传感、健康监测和人机集成的多功能水凝胶界面。

图3: 软组织和常规材料的水合与力学性能比较。(a) 从软组织（低Pa）到刚性材料如金属和无机薄膜（高GPa）的杨氏模量对比，突出水凝胶与组织固有的柔软和柔性特征。(b) 各组织的水合水平，范围从骨骼的10%到流体结构中的90%以上。

图4: 多功能水凝胶界面的工程策略。(a) 实现功能适应性的网络结构。(b) 确保水凝胶与生物电子系统之间稳定耦合的界面键合机制。(c) 水凝胶基电子的先进制造技术。

图5: 用于密封、传感和治疗递送的各种界面平台的特点与局限性比较。

图6: 面向皮肤集成电子的多功能水凝胶界面关键性能需求。

图7: 多功能水凝胶与机器学习算法、数字孪生技术和原位表征技术的集成，用于先进水凝胶界面优化。

图8: 基于水凝胶的智能传感系统集成框架。(a) 水凝胶基电子的代表性传感机制。(b) 实现柔韧性和适应性的结构设计策略。(c) 确保稳定性、可持续性和生物相容性的性能要求。(d) 针对物理和生化信号的传感器类型。(e) 与深度学习算法的集成用于智能数据处理。(f) 在健康监测、诊断和人机界面中的潜在应用。

图9: 水凝胶界面在传感应用中的各种机制。

图10: 基于水凝胶的生物电子在生理监测、治疗递送和人机交互中的应用方案。

图11: 水凝胶-组织界面稳定性的关键挑战。(a) 材料降解损害长期粘附。(b) 细菌定植和生物膜形成加速界面失效。(c) 免疫反应诱导纤维化和包裹阻碍界面耦合。(d) 力学失配诱导应力集中并促进脱粘。(e) 解剖屏障限制不规则或狭窄部位的适形覆盖。(f) 水合引起的溶胀应力扩大粘附间隙并损害密封完整性。

图12: 面向闭环柔性电子应用的能量-信号耦合系数框架。

图13: 先进水凝胶柔性电子。(a) 用于实时监测生物信号的水凝胶基传感器，确保可穿戴健康设备中的高信号保真度。(b) 集成水凝胶电极的可穿戴手部传感器，结合多模态传感和反馈机制实现自适应健康监测。(c) 用于能量收集的压电和摩擦电水凝胶系统，为自供电可穿戴医疗设备提供动力。(d) 配备柔性水凝胶传感器的可穿戴生物电子，实现持续生理监测并优化能效和信号保真度。(e) 结合生物传感和能量存储的环保水凝胶系统，推动可持续可穿戴技术。(f) 基于水凝胶电子的个性化可穿戴设备，适应个体生理数据实现实时健康监测。

图14: 多功能水凝胶柔性电子的未来机遇与发展方向。

【结论】

多功能水凝胶与柔性电子的集成为下一代生物界面建立了变革性平台，有效桥接了生物系统与智能设备。从化学改性、纳米复合增强和层级结构工程的基础进展，到多模态传感、能量收集和交互式生物医学应用的演示，水凝胶界面已从材料原型迅速演化为个性化医疗和人机共生的多功能使能平台。然而，随着该领域向系统级智能和可持续部署转型，其发展轨迹正受一组汇聚前沿的塑造。

1. AI驱动的逆向设计和数字孪生已在水凝胶电子开发中得到积极实施，正在改变材料发现和器件优化。通过利用大规模数据集、生成式设计算法和贝叶斯优化学习技术，可实现高预测精度的水凝胶设计，跨化学、网络结构和功能性能等多个维度优化性能。这些工具与实时数字孪生平台的集成可实现材料行为的动态实时模拟，根据运行反馈持续调整和优化水凝胶设计。该方法将推动自主生命周期管理、预测性维护和性能优化，使材料能够在实际应用中智能响应变化条件。

2. 跨尺度原位操作与表征是另一个关键前沿。通过建立连接外部刺激、结构重构和功能输出的定量因果链，多模态光谱学和模拟可提供预测性系统健康指标。这种从描述性观察到机制映射的转变将支撑可靠性工程，使水凝胶电子从实验室原型过渡到临床和工业可部署技术。

3. 可持续性和循环性将成为不可或缺的设计原则。未来的水凝胶电子必须将生命周期评估（LCA）融入研发管线，优先使用生物基聚合物、绿色合成路线以及可降解或可解交联结构。在系统层面，可回收设备设计和自洽能量策略将实现闭环循环电子，与全球碳中和和绿色转型目标保持一致。

4. 标准化和开放数据基础设施同样至关重要，以确保可重复性、互操作性和加速转化。统一涵盖灵敏度、耐久性、生物相容性和可持续性的基准，配合开放获取数据集和自动化工作流程，将减少碎片化，促进跨学科合作，并使研究成果与监管和临床框架协调一致。

尽管存在这些机遇，关键挑战仍然存在，包括调和矛盾的材料性质（柔软性与鲁棒性、水合与环境稳定性）、延长极端环境中的器件寿命、确保制造一致性，以及将AI与多组学和多模态传感集成以实现自主系统级智能。应对这些重大挑战需要打破学科壁垒，促进材料科学、计算建模、电子工程和生物医学的全栈协同开发。

展望未来，多功能水凝胶电子将不仅仅作为柔性基底或临时原型，而是成为个性化医疗、环境智能和可持续数字社会不可或缺的技术基础。通过将自适应材料设计、跨尺度表征、可持续工程和标准化评估相结合，该领域有望从探索性研究过渡到成熟的生态系统，为科学发现和社会影响双重赋能。

原文连接：https://doi.org/10.1002/adma.202520644