High‑Strength, Self‑Sensing Multiphase Hydrogels for Load‑Bearing Actuation and Logical Human–Machine Interaction

Zhilin Zhang, Jiayi Gu, Lina Wang, Xingchen Cui, Xu Zhai, Yue Xu, He Liu, Deliang Li, Bingle Li, Ye Tian*, Baoyang Lu*, Yu Fu*, Tieqiang Wang*

Nano-Micro Letters (2026)18: 450

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02280-y

本文亮点

1. 级联聚合集成高强度、快响应及灵敏感知：将海绵状PNIPAM网络、导电PANI网络以及SA/Ca²⁺增强网络依次集成于同一体系，在保持快速响应和灵敏感知能力的同时显著提升机械强度，实现了传统水凝胶致动材料难以完成的高承载条件下的致动应用。

2. 致动、感知与逻辑控制深度融合：建立"负载-形变"动态编码规律，利用致动过程产生的差异化电学感知信号实现0/1二进制信息编码，并进一步构建了“光致运动-信号反馈-逻辑处理-机器人动作”的闭环逻辑控制系统，为智能软机器人和智能人机交互提供新的材料体系。

研究背景

刺激响应型致动水凝胶由于能够在光、热、磁场等外界刺激下产生可逆形变，被广泛认为是人工肌肉、柔性机器人和电子皮肤的重要候选材料。然而，传统致动水凝胶普遍存在“机械强度”与“响应速率”相悖的矛盾。提高网络交联密度虽然能够增强材料力学性能，却往往限制聚合物链段运动和水分子传输，从而显著降低驱动响应速度。这导致传统的水凝胶致动器在面临外界负载时，往往会产生致动性能失效等问题，难以在复杂受力环境下完成稳定、快速的致动任务。

另一方面，随着智能软机器人不断发展，仅具有致动能力已经无法满足复杂应用需求。致动器如果能够同步感知自身状态，并进一步实现信息处理与逻辑判断，将为构建具备闭环控制能力的新一代智能软机器人提供可能。因此，如何突破机械性能与致动性能之间的相互制约，并进一步实现致动、感知和逻辑功能的一体化集成，已经成为智能响应柔性材料领域的重要科学挑战。

内容简介

针对传统响应水凝胶致动材料存在的机械强度不足、承载能力有限以及缺乏主动感知功能等问题，东北大学理学院王铁强教授和付昱教授、医工学院田野研究员与江西科技师范大学卢宝阳教授合作，提出了一种级联聚合(Cascade Polymerization)策略，通过连续构筑三种功能网络，实现了快速致动、机械增强和灵敏感知性能的协同集成。首先利用温度诱导微相分离制备具有海绵状开放孔结构的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)网络，为快速水分迁移提供通道；随后在其内部原位聚合导电聚苯胺(PANI)，赋予材料优异的光热转换能力和实时电学感知能力；最后引入SA/Ca²⁺离子交联网络作为机械增强相，形成连续互穿多相网络结构。该多尺度协同网络不仅显著提高了水凝胶机械性能，而且几乎不影响其快速致动响应。基于这一材料体系，作者进一步建立了致动行为与电学反馈之间的对应关系，提出了"负载-形变"二进制编码机制，并结合逻辑门和物联网技术，实现了基于水凝胶致动器的闭环逻辑控制和智能人机交互，为下一代智能软机器人提供了新的材料设计思路。

图文导读

I 连续互穿多相网络：级联聚合构筑高强度自感知致动水凝胶

如图1所示，本工作采用级联聚合策略依次构建海绵状PNIPAM网络、导电PANI网络以及SA/Ca²⁺增强网络，最终形成连续互穿多相结构。开放孔道保证了快速水分迁移和致动响应，导电网络赋予材料光热致动及自感知能力，而离子交联网络进一步提升了材料的机械强度，实现三种功能网络的协同集成。

图1. 连续互穿多相自感知致动水凝胶的制备流程及人机交互示意图。

II 多尺度协同增强：兼顾快速响应、高机械强度及灵敏自感知

SEM观察表明，级联聚合后材料仍保持连续开放孔结构，为水分子在凝胶内外的快速移动提供了有效的传输通道，为材料的快速响应提供了保障。同时，PANI网络与SA/Ca²⁺离子交联网络共同增强了材料的力学性能，使水凝胶拉伸强度由纯PNIPAM的5.56 kPa提高至86.83 kPa，而响应速度几乎保持不变。

进一步的光热致动实验表明，PPS水凝胶能够在近红外光照射下快速产生可控弯曲变形，并表现出优异的循环稳定性。相比传统增强策略，该多尺度协同网络成功突破了机械强度与响应速度之间的相互制约。同时，在弯曲致动过程中，得益于PANI组分的同步结构转变，PPS水凝胶还展现出灵敏的电学自感知特性。

图2. PPS水凝胶的结构表征、力学性能及快速致动-感知性能。

III 高承载致动：实现远超自身重量负载的致动驱动能力

得益于连续互穿增强网络，PPS水凝胶表现出优异的承载致动驱动能力。实验结果表明，该致动器在远超自身重量的外部负载条件下仍能够展现快速响应，并完成举升和弯曲致动驱动任务。作者进一步系统研究了不同载荷下水凝胶致动行为的变化规律，发现随着负载增加，致动形变逐渐发生规律性变化，并建立了负载质量与致动形变行为之间的一一对应关系，为后续信息编码奠定了基础。

图3. PPS水凝胶的承载致动驱动性能。

IV "负载-形变"动态编码：建立材料自身的信息编码机制

利用水凝胶在不同负载条件下的致动响应行为，作者发展了一种基于材料形变状态的信息编码系统。通过调控不同PPS水凝胶单元的交联密度，不同致动单元在不同负载下表现出差异的弯曲状态，基于这一特点，作者建立了"负载-形变"动态编码规律，将不同驱动状态映射为"0"和"1"二进制信息。进一步构筑了六单元的水凝胶阵列，该阵列在不同负载下产生不同二进制编码，将外部机械负载直接转化为材料内部的信息编码，为智能软材料的信息处理提供了新的方向。

图4. 水凝胶致动过程中的自感知及二进制信息编码。

V 闭环逻辑控制：实现智能人机交互

PANI导电网络使水凝胶在致动过程中能够同步产生稳定的电学反馈信号。不同负载条件下，致动行为对应不同的电阻变化规律，形成具有良好可区分性的反馈信号。在上述材料体系基础上，作者进一步构建了逻辑门单元，并结合物联网系统完成了光驱动—信号反馈—逻辑处理—机器人动作的闭环控制。驱动器产生的不同反馈信号经过逻辑分析后，可控制机械手完成不同动作，实现材料、逻辑运算和机器人控制之间的直接耦合，验证了该体系在人机交互和智能软机器人中的应用潜力。

图5. 基于PPS水凝胶的逻辑控制与智能人机交互。

VI 总结

本研究提出了一种级联聚合策略，通过连续构筑海绵状PNIPAM网络、导电PANI网络以及SA/Ca²⁺增强网络，成功制备出兼具高机械强度、快速响应和自感知能力的连续互穿多相致动水凝胶。

开放孔结构保证了快速致动响应，导电网络赋予材料优异的光热致动和实时反馈能力，而离子交联增强网络显著提高了承载能力，使水凝胶能够在远超自身重量的外部负载下稳定完成致动驱动任务。

进一步地，本研究首次建立了基于负载下致动形变行为的"负载-形变"二进制编码机制，并结合逻辑门和物联网技术实现闭环逻辑控制，为智能软机器人、人机交互以及新一代智能软材料的发展提供了新的设计思路。

作者简介

王铁强

本文通讯作者

东北大学 教授

▍主要研究领域

(1)智能响应聚合物；(2)结构色材料；(3)柔性致动材料。

▍主要研究成果

王铁强，东北大学理学院化学系教授，博士生导师。本硕博就读于吉林大学化学学院，2013年获高分子化学与物理理学博士学位，随后加入东北大学工作至今，2016-2018年赴德国德累斯顿工业大学从事博士后工作。主要从事“聚合物基智能仿生光电功能复合材料”方面的研究工作，研究兴趣涵盖智能仿生聚合物体系以及基于智能响应聚合物分子刷和水凝胶的动态结构色材料和柔性致动材料。目前，以通讯作者或合作作者发表SCI论文100余篇，主持2项国家自然科学基金项目及多项省部级科研项目，获辽宁省自然科学二等奖。

▍Email：wangtieqiang@mail.neu.edu.cn

田野

本文通讯作者

东北大学 研究员

▍主要研究领域

(1) 水凝胶柔性传感；(2) 脑机接口；(3) 智能可穿戴器件。

▍主要研究成果

东北大学医学与生物信息工程学院人才引进研究员，博士生导师，硕士生导师，兴沈英才计划-杰出人才，累计在Cell大子刊Matter、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Nano-Micro Lett.、Adv. Funct. Mater.等国际顶级期刊上发表论文70余篇，ESI高被引论文8篇，ESI热点论文2篇，封面文章4篇，研究成果被Nature, Nat. Chem. Eng.等顶刊重点引用/评述，被南华早报、卫星通讯社、麻省理工评论等主流媒体亮点报道/转载；主持/参与包括国家重点研发计划项目在内的国家级/省部级/校级项目累计17项；获辽宁省科学技术进步奖一等奖1项，微流控奖项之青年学者奖1项等20余项荣誉奖项；受邀担任Engineering Reports副主编等14项学术兼职；申请/授权国际PCT专利1项、国内专利和软著16项。

▍Email：tianye@bmie.neu.edu.cn

付昱

本文通讯作者

东北大学/四川轻化工大学 教授

▍主要研究领域

基于金属有机框架(MOFs)的纳米材料制备及其在食品安全检测领域的创新应用。

▍主要研究成果

付昱，教授，博士生导师，中国化学会高级会员，辽宁省化工学会化工新材料专委会委员。长期专注基于金属有机框架(MOFs)的纳米材料制备及其在食品安全检测领域的创新应用。近年主持国家自然科学基金面上项目5项、获得辽宁自然科学二等奖(排名第一)、省教育厅高校优秀人才称号、四川省天府人才(A类)、辽宁省优秀博士论文指导教师、沈阳市自然科学学术成果二等奖(排名第一)。以通讯作者在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表论文近200篇，获授权国家发明专利9件。

▍Email：fuyu@mail.neu.edu.cn

卢宝阳

本文通讯作者

江西科技师范大学 教授

▍主要研究领域

导电聚合物水凝胶设计合成、加工技术及生物电子应用。

▍主要研究成果

卢宝阳，江西科技师范大学教授，柔性电子创新研究院执行院长、柔性电子江西省重点实验室主任。主要研究方向为导电聚合物水凝胶设计合成、加工技术及生物电子应用。以第一/通讯作者在Science、Nat. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.及Nat. Rev. Mater.、Chem. Soc. Rev.等期刊发表SCl论文200余篇，入选科技部中国百篇最具影响国际学术论文。主持国家基金4项，入选国家级青年人才、江西省千人计划等，获江西省自然科学一等奖、江西省科学技术青年奖等奖励。

▍Email：luby@jxstnu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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