《AFM》西北工业大学许丹丹、陶凯：传感-驱动一体化水凝胶！

第一作者：许丹丹

通讯作者：陶凯

通讯单位：西北工业大学

DOI: 10.1002/adfm.78130

背景介绍

随着人工智能、柔性电子和仿生机器人技术的快速发展，软体机器人凭借其柔顺性、环境适应性以及与生物组织高度匹配的特点，在医疗康复、人机交互、海洋探测等领域展现出广阔应用前景。然而，传统软体机器人通常依赖外部集成的传感器、执行器以及控制模块，通过多个功能单元的组合实现感知与运动，这种模块化设计不仅增加了系统复杂度，也限制了软机器人向高度集成化、自主化和智能化方向发展。

自然界中的生物系统通过感知器官、神经系统和驱动组织之间的高度协同，实现了“感知—反馈—响应”的闭环调控。例如，人体皮肤能够实时感知压力、温度等外界刺激，并通过神经系统将信息传递至肌肉组织，实现快速运动响应。这种结构与功能高度融合的生物智能模式，为下一代软机器人设计提供了重要启发。

水凝胶作为一种具有高含水量、柔软性、生物相容性以及可调控功能的新型智能材料，其结构和性能与天然生物组织高度相似。同时，通过分子设计和网络调控，水凝胶能够进一步赋予导电性、刺激响应性、粘附性以及多场耦合能力，为构建集感知与驱动于一体的智能软机器人提供了重要材料基础。

图1. 迈向基于智能材料的智能化、全柔性下一代机器人体系

本文简介

基于此，西北工业大学机电学院陶凯课题组围绕“感知—驱动一体化水凝胶智能系统”开展系统综述研究，从材料特性、传感能力和驱动功能等方面综合讨论了不同应用领域对软体机器人用水凝胶的设计要求。基于水凝胶的多样化功能，强调了集成传感和驱动的重要性，特别关注从离散功能模块的集成到结构-功能集成，最终到闭环反馈智能系统的进化轨迹。最后，该综述对该领域当前面临的挑战和前景提出了富有洞见的观点，旨在为高集成度、自适应、自主的软体机器人系统的设计与开发提供系统参考。相关研究成果以“Sensing-Actuation Integrated Hydrogels: Redefining Intelligent Soft Robotics”为题发表在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上。西北工业大学机电学院微系统工程系博士研究生许丹丹为文章第一作者，西北工业大学陶凯教授、郑晴阳博士后和中山大学电子与信息工程学院吴进副教授为共同通讯作者。

本文亮点

1. 论文首先系统总结了水凝胶作为智能软机器人核心材料所需具备的关键性能，包括柔软性、高强韧性、自修复能力、环境稳定性以及功能可调控能力。

2. 论文指出水凝胶独特的材料特性，能够实现刺激感知和驱动响应功能的融合，有望突破传统模块化软机器人结构限制，实现更加接近生物系统的自主感知和智能响应。

3. 未来软机器人发展将从早期依靠柔性结构实现运动，逐步迈向基于智能材料的感知—驱动深度融合，实现高适应性、多模态感知以及自主交互能力。

图2. 融合柔软性、感知与驱动功能的基于水凝胶仿生智能系统示意图

图3. 水凝胶的发展概述：从优异材料特性、感知与驱动功能，到感知-驱动一体化系统

图文解析

1．软水凝胶：优异性能

软体机器人是一种新型机器人，它使用柔软且可变形的材料作为主体结构，以模仿生物运动的机制和功能。然而，生物组织具有合成材料无法匹敌的独特性质，例如自修复性、适应性，以及在刚度、强度和柔韧性之间高度协调的力学平衡。幸运的是，水凝胶与生物组织具有高度相似的性质，因而成为理想的界面材料。近年来，研究人员通过分子设计、交联改性和复合增强等技术，不断优化水凝胶的结构与性能，使其在力学性能、自修复性、温度适应性、粘附性和生物相容性等方面能够接近甚至超越天然生物组织，为其在智能传感、柔性驱动、生物医学和软体机器人等领域的应用奠定了坚实基础。

图4. 水凝胶的机械性能。（a）具有刚性和柔顺性的DN水凝胶的示意图；（b）水凝胶半导体优异的机械性能使其具有类似神经回路的空间3D结构；（c）竹节状纳米纤维增强复合水凝胶；（d）可逆的串珠构象赋予水凝胶超强的弹性；（e）具有预应力张拉整体结构的水凝胶。

图5. 水凝胶的自愈合性能。（a）动态共价键有利于水凝胶的快速自愈合；（b）可修复水凝胶的盐焊策略；（c）基于聚合物缠结的刚性和自修复水凝胶；（d）类似于神经元修复的自我修复能力；（e）水凝胶的自愈合机制具有氢键、静电相互作用和主客体相互作用的协同作用。

图6. 具有温度适应性的水凝胶表现出抗干燥和抗冷冻能力。（a）对水凝胶进行机械相容的密封，以避免水的溶胀或蒸发；（b）吸湿性聚合物与结合水之间的协同作用构建保水水凝胶；（c）“水锁” 策略；（d）将水分子限制在纳米通道内，增加结合水的比例，增强本征抗冻性；（e）基于 “生长受限的小冰晶选择性成核” 的生物启发防冻。

图7. 界面粘附性赋予水凝胶稳定的结合能力。（a）基于数据驱动的超黏水凝胶设计；（b）温敏性可逆粘附水凝胶；（c）电场触发的脱粘和可逆粘附的释放；（d）一种在不同液体环境中具有粘附性能的可调谐粘附水凝胶；（e）调控游离羧基在水凝胶两侧的界面分布，实现不对称粘附。

图8. 水凝胶的生物相容性支持其对生物环境的适应。（a）用于生物相容性和生物可降解止血密封的分子自组装策略；（b）生物可降解水凝胶增强抗肿瘤免疫治疗；（c）增强生物相互作用的水凝胶半导体；（d）基于电活性水凝胶的可注射组织修复体实现了电传导；（e）用于促进软骨再生的机械离子水凝胶。

2.传感：“类生命”感知

智能软机器人需要具备对自身状态和外界环境的实时感知能力。目前，研究人员通过引入导电网络、离子传输机制以及功能纳米材料，使水凝胶能够响应压力、应变、温度、电刺激等多种外界信号，实现柔性传感功能。相比传统刚性传感器，水凝胶传感器具有良好的柔顺性和界面适配能力，可以更加贴合人体、生物组织以及复杂环境表面，为电子皮肤、医疗监测以及机器人触觉感知提供新的解决方案。

图9. 于水凝胶的压力和触觉传感用于与物理世界的精确交互。（a）基于仿生微结构水凝胶的电子皮肤模拟了皮肤的触觉感知；（b）MXene增强水凝胶触觉传感性能；（c）用于产生类似生物感觉的力感应电流的传感装置示意图；（d）水凝胶语音传感中的力诱导离子迁移；（e）交联调制水凝胶为实现大规模柔性人机接口提供了一种策略。

图10. 基于水凝胶的温度传感用于精确的热感知和监测。（a）不同温度下离子迁移率的变化引起电阻的变化；（b）基于高热功率离子热电水凝胶的柔性热传感器阵列；（c）热致变色水凝胶的温度响应；（d）生物温度感受的多种热交换方式；（e）复制生物皮肤动态温度感受的仿生离子型皮肤。

图11. 通过物理或化学变化的水凝胶湿度传感。（a）湿度传感机理的方案；（b）吸湿性生物材料增强的高性能湿度传感器；（c）基于LiCl盐和MXene协同吸湿性的湿度传感；（d）基于多孔结构和离子电子学传感机理的湿度传感机理示意图。

图12. 基于水凝胶的生理信号感知。（a）用于长期无线脑电记录和高精度持续注意力评估的柔性电极；（b）用于长期动态健康监测的超薄水凝胶；（c）集成的水凝胶光纤电子学可以实现同时的电生理记录和光遗传调制；（d）基于生成式EMG网络的大面积感知。

图13. 基于水凝胶的疼痛/损伤感知模拟生物皮肤的分级感知机制。（a）具有主动疼痛和损伤感知的电子皮肤；（b）基于水凝胶的垂直晶体管用于疼痛敏化增强模拟；（c）)集成了基于水凝胶的疼痛传感器的机器人手，用于模拟人手在针刺下的回撤反射；（d）基于 “门控”理论的人体皮肤感知和管理外界机械刺激的机制；（e）生物神经刺激与反应行为。

3.致动：“人工肌肉”驱动

水凝胶不仅能够感知环境变化，还可以通过自身结构变化产生机械响应，实现驱动功能。通过离子迁移、溶胀收缩、刺激响应网络变化等机制，水凝胶能够模拟生物肌肉的运动方式，实现柔性驱动。同时，当感知功能和驱动功能进一步融合后，水凝胶系统能够根据外界刺激自主调整行为，实现更加接近生物系统的智能响应模式。

图14. 渗透驱动的水凝胶致动。（a）盐化水凝胶构建可重编程的形状变形；（b）具有电可调渗透性和单向驱动的水凝胶；（c）基于电渗膨胀力的高强度、快速响应的水凝胶致动器；（d）低压驱动的纤毛水凝胶微驱动器。

图15. 磁驱动水凝胶软体机器人。（a）磁性水凝胶机器人在不同外磁场下的不同机械形变；（b）磁畴组装方法实现了水凝胶在低磁场驱动下的快速运动；（c）具有可重编程磁取向的超分子水凝胶驱动器；（d）磁性驱动的超软水凝胶免疫毫机器人；（e）具有磁驱动、成像和热疗功能的水凝胶微机器人。

图16. 通过水凝胶网络中的链构象变化实现驱动。（a）具有全空间趋光性的水凝胶基水下航行器；（b）光诱导链构象相变的可编程水凝胶；（c）由于总净电荷的变化而导致水凝胶收缩-膨胀的示意图；（d）各种形状水凝胶的瞬态双向弯曲变形的照片；（e）具有可编程恢复起始的形状记忆水凝胶。

图17. 通过弹性势能的储存和释放实现致动。（a）仿生高功率密度强收缩水凝胶；（b）基于加压射流喷射机理的水凝胶发射器喷瓜；（c）相变累积弹性势能的水面跳跃策略；（d）具有快速超高密度能量转换的水凝胶驱动器。

4.软体机器人的传感与驱动一体化

论文提出了水凝胶智能系统的发展路径：功能模块集成 → 单材料功能融合 → 闭环反馈智能系统。未来，通过材料设计、结构优化以及信号处理技术结合，可以实现具备自主感知、环境适应和智能决策能力的新一代软机器人系统。

图18. 异质结构中的水凝胶的传感和驱动的集成。（a）生物具身智能与软体机器人功能模块集成的比较；（b）具有可编程传感、驱动和自学习能力的柔性电子机器人；（c）电子皮肤与人工肌肉集成的感觉机器人；（d）用于心外膜感知和电刺激的软体机器人；（e）将温敏磁性水凝胶、各向异性支撑结构和柔性偶极子天线集成，实现了状态监测、多智能体协作和自主操作；（f）通过集成3D打印的水凝胶基传感器和致动器制备了自感知致动器。

图19. 功能单体可以实现水凝胶中传感和驱动的一体化。（a）材料集成赋予软体机器人磁驱动和摩擦电传感功能；（b）人工章鱼的形状识别；（c）机械刺激触发软体机器人的驱动；（d）仿海葵光驱动/光检测多功能水凝胶机器人。

图20. 基于集成传感和驱动水凝胶的集成智能系统。（a）仿生狩猎系统的远程光热驱动与多模态自感知；（b）基于传感-致动一体化多层水凝胶肌肉的自爬行机器人；（c）将自感知执行器连接成闭环控制系统。

总结与展望

该综述系统地探讨了智能水凝胶在材料、传感和驱动等方面在软体机器人领域的应用，并系统地回顾了其从分立功能元件到全集成智能系统的进展。尽管研究人员在集成传感和驱动系统方面取得了实质性进展，但传感和驱动功能在物理结构和计算逻辑方面通常是分离的。它与传统的机器人功能集成技术有着显著的不同；水凝胶具有仿生的材料特性、精确的传感能力和高效的驱动性能，已成为实现集成功能的核心材料平台。它在单一的水凝胶结构中实现了生物类组织的传感和驱动功能的集成。这有效地简化了软体机器人结构，增强了响应协调性，在生物医学、柔性操作等领域展现了广阔的应用前景。该综述首先介绍了水凝胶的各种材料特性，以了解不同的功能特性如何与软体机器人在不同应用领域的设计需求保持一致。其次，基于导电材料的协同作用，赋予水凝胶优异的传感响应特性，实现了多重传感信号的高效检测和转换。此外，其刺激响应功能可以在外部刺激下实现可逆变形和精确驱动。这种基于单一材料特性的多功能集成，可通过统一的传感-驱动系统实现实时状态反馈和闭环控制，建立高度协同的集成系统，为动态、非结构化环境下的自主作业提供核心技术支撑。