背景介绍

手指弯曲、手掌抓握等动作同时包含拉伸和受压过程。用于捕捉这些动作的柔性传感材料，既要能够随人体运动发生较大形变，又要将形变转化为可测量的电信号。含水离子导体具有柔软、易变形等特点，但水分散失可能改变其尺寸、力学性能和传感输出；单纯增加导电组分，也可能影响聚合物网络的强度。如何让材料兼顾离子传导、力学支撑和抗干燥能力，是柔性传感器设计中的一项挑战。本研究将纳米颗粒增强、分子间相互作用调节和混合溶剂保水结合起来，探索适用于可穿戴应变与压力传感的光固化复合离子凝胶。

研究方法

研究人员以聚丙烯酰胺为聚合物骨架，在甘油／水混合溶剂中引入离子液体、二氧化钛纳米颗粒和β-环糊精，通过光固化形成复合凝胶网络。甘油与水构成材料的液相环境，离子液体提供可迁移的离子；二氧化钛与β-环糊精则参与调节颗粒分散、聚合物链间相互作用和离子传输过程。通过结构表征、电化学测试、拉伸与压缩测试，以及环境暴露和循环传感实验，研究人员比较了不同组分对材料性能的影响。在此基础上，利用拉伸过程中电阻的变化构建应变传感器，利用受压时界面电容的变化构建压力传感器，并进一步开展手套集成演示。

成果简介

优化后的复合离子凝胶离子电导率达到2.95 × 10⁻² S·m⁻¹，相较于PAM对照样品的4.11 × 10⁻³ S·m⁻¹提高约618%。与此同时，材料的断裂伸长率达到1273%，说明其能够承受较大拉伸形变。环境暴露实验还显示，该体系在所测试条件下具有抗干燥稳定性。基于该凝胶的电阻式应变传感器在100%-1000%应变范围内呈现线性响应，灵敏系数为0.765。研究人员进一步构建了电容式压力传感器，并将应变传感单元与压力阵列集成于手套。演示结果表明，该系统能够记录手指弯曲产生的信号，区分不同手势对应的响应，并反映抓握时手掌不同区域的压力分布。这些结果展示了同一种离子凝胶用于不同传感模式的可行性，为柔性人机交互界面和可穿戴触觉感知器件提供了材料基础。

图文导读

如图1所示，PAM共价交联网络构成离子凝胶的主体骨架，甘油/去离子水二元溶剂体系兼顾离子迁移与抗干燥能力，[EMIM][TFSI]作为离子导电组分提供可迁移载流子。TiO₂纳米颗粒均匀分散于网络中，一方面通过物理交联提高结构稳定性，另一方面其表面Lewis酸位点可与[TFSI]⁻发生作用，降低离子迁移能垒并提供附加迁移通道。β-CD富含羟基，可与TiO₂及PAM链形成动态氢键，抑制纳米颗粒团聚，并通过超分子作用促进离子液体中阳、阴离子的解离。由此形成的协同网络，为同时改善机械强度、延展性和离子传输提供了结构基础。

图1. PAM/TiO₂/β-CD复合离子凝胶的设计、合成及结构表征。

在材料性能方面，该研究重点解决了离子导电与机械性能之间的传统矛盾。如图2所示，适量TiO₂既能通过物理交联增强PAM网络，又能依靠表面Lewis酸位点促进离子迁移；β-CD进一步改善TiO₂分散、促进离子解离并提高链段柔顺性。当TiO₂含量为5 wt%、β-CD含量为2 wt%、[EMIM][TFSI]含量为20 wt%时，复合离子凝胶获得较优综合性能：离子电导率达到2.95×10⁻² S·m⁻¹，相比原始PAM离子凝胶（4.11×10⁻³ S·m⁻¹）提高617.76%；断裂伸长率达到1273%，弹性模量为188.62 kPa，韧性为1.418 MJ·m⁻³，拉伸强度为249.60 kPa，压缩强度达到465.482 kPa。此外，甘油/水二元溶剂和离子液体的协同作用显著提高了材料的环境稳定性。优化样品在开放空气环境中放置两周后质量变化小于2.8%，体现出良好的抗干燥能力。循环拉伸与压缩测试进一步表明，材料中的动态氢键和配位作用能够在受力过程中耗散能量，并在卸载后快速重构，从而赋予离子凝胶良好的形变恢复能力和循环耐久性。

图2. PAM/TiO₂/β-CD复合离子凝胶的离子电导、力学性能及环境稳定性。

基于复合离子凝胶优异的延展性和稳定导电特性，研究构建了大变形电阻式应变传感器。如图3所示，传感器在0-100%低应变区间的灵敏系数GF为0.545，线性相关系数R²为0.9985；在100–1000%大应变区间，GF提高至0.765，R²仍达到0.9955，实现了从微小形变到超大拉伸范围的连续线性检测。在1000%应变加载-卸载过程中，电学响应具有较低迟滞；在低应变区间，迟滞进一步降低，体现出良好的可逆性。依托较宽的形变适应范围，传感器能够准确识别30°、60°和90°等不同手指弯曲角度，并对机械手关节的屈伸及静态保持过程产生稳定反馈，为可穿戴姿态监测和机器人本体感知提供了材料与器件基础。

图3. 基于PAM/TiO₂/β-CD复合离子凝胶的电阻式应变传感机理与性能。

除应变感知外，研究还利用离子凝胶中丰富的可迁移阴、阳离子构建了电双层（EDL）电容压力传感器。外加电压作用下，离子在金属电极/离子凝胶界面富集形成高电容密度的电双层；当外界压力使界面真实接触面积增大时，界面电容随之显著变化。为进一步放大压力响应。如图4所示，压力传感器在0.5-10 kPa范围内灵敏度达到10.69×10⁻³ kPa⁻¹，在10–100 kPa范围内仍保持8.99×10⁻³ kPa⁻¹的线性响应。器件在5 kPa压力下经过2000次循环加载后仍保持稳定输出，响应时间和恢复时间分别约为0.75 s和0.8 s。

图4. 基于PAM/TiO₂/β-CD复合离子凝胶的电双层电容压力传感机理与性能。

为验证材料与器件在人机交互中的应用潜力，研究将应变传感器与4×4柔性压力传感阵列集成到智能手套中，如图5所示。布置于手指关节处的应变传感器可实时输出不同弯曲程度对应的电阻变化，实现五种典型手势的动态识别；集成于手掌区域的压力阵列则可对接触位置和压力分布进行空间映射，并在抓取乒乓球、胶带和水瓶等不同物体时获得清晰的压力分布特征。该阵列在弯曲、扭转和折叠状态下仍能保持稳定感知，显示出在非平面柔性界面、可穿戴电子和机器人触觉中的应用潜力。

图5. 基于复合离子凝胶的智能手套：手指曲率检测、手势识别与手掌压力空间映射。

作者简介

河海大学博士研究生赵鑫为文章第一作者，河海大学王延杰教授为通讯作者。

河海大学智能机器人与水下检修技术团队依托疏浚技术教育部工程研究中心、江苏省特种机器人技术重点实验室及机械工程江苏省重点学科，在王延杰教授的带领下，汇聚水利工程、机械工程、材料科学、力学等领域的优势科研力量，形成了一支结构合理、特色鲜明、创新能力突出的跨学科研究团队。队面向水下作业与智能检修需求，长期致力于特种机器人设计、先进仿生系统开发、柔性驱动与感知、水下检测与成像、定位与导航等方向的研究，注重多学科交叉融合与关键技术创新，积累了扎实的研究基础和丰富的技术经验。

文章信息

Zhao X, Tang G, Du Z, et al. Nano-enhanced photocurable PAM/TiO2/β-CD ionogels with high ionic conductivity, mechanical robustness, and anti-drying stability for flexible sensors. Nano Research, 2027, 20(1): 94909099. https://doi.org/10.26599/NR.2026.94909099.

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