背景介绍

人工智能与机器人技术的迅猛发展促进对柔性电子设备的需求不断增加，应用场景也正不断拓展至多种复杂环境。水凝胶被认为是柔性传感器最有潜力的候选者之一，其是亲水性高分子链通过物理或化学交联形成的三维网络结构凝胶，具有柔软、可拉伸和生物相容性等特点。但水凝胶基的柔性传感器在低温极端条件下很容易冻结，其内部的水分子会倾向于形成规则排列的晶体结构，导致水凝胶网络脆性断裂与导电性能退化，极大地限制了它们的应用。因此研究如何提高水凝胶基传感器的抗冻性成为一个重要课题。设计具有高拉伸性、强粘附性、高灵敏度与低温环境耐冻性的水凝胶基柔性传感器在诸多领域具有重要潜在应用价值。

成果简介

在本项工作中，作者使用丙烯酰胺（AM）、羟乙基纤维素（HEC）、氯化锂（LiCl）复合制备了一种离子导电水凝胶。HEC羟基的氢键作用为传感器赋予了可靠的机械性能，LiCl在水中解离为离子，离子的强水合作用增强了水凝胶网络的稳定性，同时降低水凝胶中水的冰点，抑制冰晶的形成，使得水凝胶在低温环境下仍能保持良好的柔性与精准的响应。最终本篇工作制备的柔性传感器具有高粘附性、高的灵敏度（GF = 2.84）、快速的响应（100 ms）、优异的拉伸性（>1776%）、高韧性（2.5 MJ/m³）、在低温（-60℃）下可检测等优点，实现了在20℃与-20℃下对机器人动作精确检测。同时作者将传感器用于常温与低温环境中的机械爪零件分拣上，结合卷积神经网络，能够对不同零件抓取的电信号进行深度分析和分类，准确率高达98.8%。这项工作为低温环境下的柔性传感器设计、未来人机交互和触觉感知方面等的应用提供了新思路。

图文导读

图1. (a) PAM/HEC/LiCl水凝胶的制备合成机理图。(b) PAM、HEC、PHL水凝胶的FT-IR光谱。(c) PHL水凝胶的SEM图像。

图2. (a) PHL水凝胶的拉伸性、可扭曲变形、抗切性、抗戳穿能力。(b) 不同HEC含量的PAM/HEC水凝胶的拉伸应力-应变曲线。(c) 不同LiCl含量的PHL水凝胶的拉伸应力-应变曲线。(d) 仅有PAM水凝胶（PH₀）、PAM/HEC水凝胶（PH_1.5）和PAM/HEC/LiCl水凝胶（PH_1.5L₂₀）的杨氏模量和韧性。(e) 在100 - 700%应变范围内的加载/卸载曲线。(f) PH_1.5L₂₀水凝胶在100%应变下连续50次拉伸的加载/卸载曲线。(g) 最大应变为50%的加载/卸载循环的压缩应力-应变曲线。(h) 拉伸循环过程中的最大应力和耗散能量。(i) 压缩循环期间的最大应力和耗散能量。 (j) 在10%-80%应变范围内的压缩应力-应变曲线。

图3. (a) 水凝胶可牢固地粘附在各种材料上，包括玻璃、木材、塑料、橡胶、金属、陶瓷、石头和树叶。(b) 水凝胶的搭接剪切试验示意图。(c) 水凝胶在不同基材（玻璃、塑料、木材、纸张和硅橡胶）上的粘附曲线。(d) 在5次重复粘附试验中，水凝胶对不同基质的粘附强度变化。(e) 水凝胶的粘附机制。(f) 水凝胶在20℃、-20℃、-40℃、-60℃冷冻后，对各种基材的粘合强度。

图4. (a) PHL水凝胶应变传感器的相对电阻-应变响应曲线。(b) 水凝胶应变传感器在0-100%应变范围内的拉伸释放响应曲线。(c) 水凝胶应变传感器在800-1200%应变范围内的拉伸释放响应曲线。(d) 水凝胶应变传感器在不同小应变周期(5-20%)下的相对电阻响应。(e) 水凝胶应变传感器在不同大应变周期(100-700%)下的相对电阻响应。(f) 水凝胶应变传感器在不同拉伸速率下的响应曲线比较。(g) 传感器的响应/恢复时间。(h) 水凝胶形变对LED灯泡亮度变化影响示意图。(i) 水凝胶应变传感器在100%应变响应下的长期稳定性。

图5. (a) PH₀、PH_1.5、PH_1.5L₂₀水凝胶放置在-20℃环境中8小时后的拉伸断裂曲线。(b) 水凝胶在室温和低温下拉伸长度的比较。(c)PHL水凝胶在20℃、-20℃、-40℃、-60℃环境下的拉伸应力-应变曲线。(d) 水凝胶在20℃、-20℃、-40℃、-60℃环境中放置后的相对电阻-应变响应曲线。(e) 传感器在-20℃下的响应/恢复时间。(f) 水凝胶的防冻机理图。(g) 传感器的电阻-温度曲线。(h) PH₀、PH_0.5、PH₁、PH_1.5和PH₂水凝胶在60 ℃烘箱中放置8h的质量留存率变化曲线。(i) PH_1.5L₅、PH_1.5L₁₀、PH_1.5L₁₅、PH_1.5L₂₀和PH_1.5L₂₅水凝胶在60 ℃烘箱中放置8h的质量留存率变化曲线。

图6. PHL水凝胶基传感器在20℃和-20℃响应于机器人的(a) 胳膊关节小、中、大幅度摆动，(b) 膝盖关节小、中、大幅度摆动，(c) 鞠躬，(d) 侧踢腿， (e) 向侧倾斜和(f) 拥抱。

图7. (a) 用于机械爪抓取识别零件的PHL水凝胶传感器的示意图。(b) PHL水凝胶对八种零件夹取的信号响应。(c) 在室温下应用时精度随训练时间的变化。(d) 在室温下应用时的零件识别结果的混淆矩阵。(e) 在低温下应用时精度随训练时间的变化。(f) 在低温下应用时的零件识别结果的混淆矩阵。

作者简介

通讯作者：张冬至，教授，博士生导师，山东省泰山学者，全球高被引科学家，全球前0.05%顶尖学者，山东省电工技术学会副理事长，山东省高等学校青年创新团队带头人。主要从事微纳检测与先进传感技术、电子器件与智能感知技术、智能检测技术与微系统、柔性可穿戴电子传感技术等研究。近年来主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金项目、山东省重点研发计划项目等30余项科研课题研究，在国际著名期刊上发表SCI收录论文280余篇，先后入选ESI高被引论文47篇，ESI热点论文13篇，他引2.2万余次，H指数84，出版教材/学术专著7部，授权国家发明专利50余项，荣获中国石油和化学工业联合会科技进步奖一等奖、中国商业联合会科技进步奖一等奖、山东省自然科学奖二等奖、新疆维吾尔自治区自然科学奖二等奖、中国发明协会发明创业奖创新奖等科技奖励十余项，获评中国石油和化学工业联合会青年科学技术突出贡献奖、中国石油和化工自动化行业协会青年科技突出贡献奖、全国石油和化工优秀科技工作者等称号。担任中国仪器仪表学会实验室仪器分会理事、中国自动化学会具身智能委员会委员、中国化工学会化工安全专委会委员、中国自动化学会智能传感器与检测技术专委会委员、中国仪器仪表学会精密机械分会理事、Nano-Micro Letters、Rare Metals期刊青年编委、智能感知工程期刊编委等。

文章信息

Shao J, Zhang D, Zhang H, et al. A hydroxyethyl cellulose-enhanced high-adhesion, freeze-resistant hydrogel flexible sensor for robotic posture detection and tactile sensing at low temperatures. Nano Research, 2026, 19(1): 94907822. https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907822.