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  導(dǎo)電凝膠在人機(jī)交互（HMI）器件中展現(xiàn)出應(yīng)用潛力，但其脆性、溶劑依賴性等缺陷長(zhǎng)期制約實(shí)際應(yīng)用。本研究通過設(shè)計(jì)一種無溶劑拉伸取向雙網(wǎng)絡(luò)深共晶凝膠突破上述局限。分子鏈纏結(jié)與拉伸誘導(dǎo)取向的協(xié)同效應(yīng)顯著提升材料力學(xué)力（133.86 MJ/m³）。取向微結(jié)構(gòu)在形變中維持導(dǎo)電通路完整性，賦予材料多模態(tài)高靈敏度傳感特性（250%應(yīng)變下靈敏系數(shù)GF=1.4；溫度響應(yīng)系數(shù)TCR=14.7% ^oC^-1）及穩(wěn)定性（>300次循環(huán)無信號(hào)突變）。通過溶液印刷和UV固化，應(yīng)用于功能性HMI器件：體感手套（關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)識(shí)別延遲≤17 ms）、電容傳感陣列（響應(yīng)延遲≤34 ms）及高分辨率溫度傳感器。

  近期，澳門大學(xué)應(yīng)用物理及材料工程研究院孫國星團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出“拉伸誘導(dǎo)取向增強(qiáng)”策略，通過分子層面的協(xié)同作用機(jī)制，成功開發(fā)出力誘導(dǎo)排列雙網(wǎng)絡(luò)深共晶凝膠。采用預(yù)溶解策略將超高分子量聚丙烯酰胺引入丙烯酸/氯化膽堿深共晶體系，形成穩(wěn)定的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，材料展現(xiàn)出30.7 MPa的拉伸強(qiáng)度（703%斷裂伸長(zhǎng)率）和133.86 MJ/m³的韌性，較對(duì)比樣提升6.2倍（圖1c-d）。壓縮測(cè)試顯示98%形變后仍能恢復(fù)96%原始尺寸，邊緣缺口試樣斷裂應(yīng)力達(dá)5.85 MPa，較對(duì)比樣品提升4.3倍。通過偏振光照片分析裂紋及應(yīng)力分布（圖2e-f）顯示顯著差異：0%M1000樣品在裂紋尖端形成局部沙漏狀應(yīng)力集中區(qū)，而3%M1000樣品呈現(xiàn)全域擴(kuò)散型應(yīng)力分布。結(jié)合有限元分析對(duì)比樣的von Mises應(yīng)力呈沙漏分布（尖端峰值26 MPa），而3%M1000樣品von Mises應(yīng)力表現(xiàn)為層狀擴(kuò)散，（尖端峰值62 MPa，較對(duì)比樣提升2.4倍）。通過偏振光照片和有限元分析揭示其增強(qiáng)機(jī)制：超長(zhǎng)PAM鏈在拉伸時(shí)形成取向排列，將裂紋尖端的局部應(yīng)力傳遞至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)（圖2h）。動(dòng)態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)通過可逆斷裂耗散能量，同時(shí)PAM纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)阻礙裂紋擴(kuò)展。這種“整體纏繞增韌+長(zhǎng)程取向強(qiáng)化+短程動(dòng)態(tài)耗能”的協(xié)同作用，突破了傳統(tǒng)材料強(qiáng)度與延展性的此消彼長(zhǎng)規(guī)律。

圖1. a）雙網(wǎng)絡(luò)深共晶凝膠透光率。b）提拉20 kg重物照片。c）不同PAM含量的雙網(wǎng)絡(luò)深共晶凝膠應(yīng)力-應(yīng)變曲線。d）不同分子量PAM的雙網(wǎng)絡(luò)深共晶凝膠應(yīng)力-應(yīng)變曲線。e）和 f）樣品平均應(yīng)力與應(yīng)變值。g）和 h)樣品韌性值。

圖2. a）邊緣缺口試樣拉伸實(shí)驗(yàn)示意圖。不同PAM含量缺口試樣的拉伸應(yīng)力曲線（b）、（c）。d）膠韌性值對(duì)比。e）偏振光照片。f）偏振光強(qiáng)度分布圖。g）有限元模擬。h）外力作用下的微觀結(jié)構(gòu)模型。

圖3.體感手套 實(shí)時(shí)控制的仿生機(jī)械手。a）信號(hào)–執(zhí)行示意圖。b）實(shí)物圖，c）模擬電壓信號(hào)曲線圖。

圖4. a）接線圖。體感手套精確調(diào)控機(jī)械手指關(guān)節(jié)彎曲角度，關(guān)節(jié)彎曲角度分別為：b）0°、c）45°、d）75°、e）90°及f）105°。

  單軸拉伸測(cè)試顯示：相對(duì)電阻變化（ΔR/R₀）隨應(yīng)變呈線性增長(zhǎng)（GF=1.4，R²=0.9955）。材料的液態(tài)和UV固化性，使之加工方式多樣且簡(jiǎn)易，制備了：（1）體感手套，用于實(shí)時(shí)人體運(yùn)動(dòng)捕捉與仿生手控制，其工作流程如圖3a所示：手指彎曲引發(fā)傳感器的應(yīng)變-電阻變化，產(chǎn)生連續(xù)模擬電壓信號(hào)，經(jīng)芯片處理后驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的步進(jìn)電機(jī)，響應(yīng)速度≤17 ms。圖4b–f展示了連續(xù)單關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)追蹤功能：模擬電壓輸出與關(guān)節(jié)角度（45°、75°、90°、105°）呈線性關(guān)聯(lián)且軌跡偏差微小。對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)：a）摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）：雖可實(shí)現(xiàn)自供電傳感，但其脈沖式輸出限制其連續(xù)運(yùn)動(dòng)控制；b）熱電傳感器：依賴關(guān)節(jié)溫度梯度，存在響應(yīng)遲滯與空間分辨率低等缺陷。（2）4×4電容陣列傳感器（圖5），通過浸漬或印刷工藝可制備電容式傳感器，與壓力依賴型電阻陣列不同，該設(shè)計(jì)基于電容調(diào)制原理，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)接觸與接近傳感，可多點(diǎn)觸控檢測(cè)，位置追蹤，響應(yīng)快≤34 ms。（3）柔性透明溫度傳感器（圖6），其調(diào)控機(jī)制源于三方面協(xié)同作用：a）聚合物鏈段動(dòng)力學(xué)（溫度激活的鏈運(yùn)動(dòng)性調(diào)控離子通道可及性）；b）溫度依賴的非共價(jià)鍵斷裂/重組調(diào)節(jié)離子通道密度；c）熱激活離子傳輸（離子熱運(yùn)動(dòng)）。在低溫區(qū)（-24–9.4 ^oC）表現(xiàn)出優(yōu)秀的溫度傳感性能（TCR = 14.7% °C^-1）。

圖5. 電容式傳感器陣列，a）基于電容信號(hào)編碼“SOS”的摩爾斯電碼實(shí)現(xiàn)示意圖。b）印刷法制備柔性傳感器陣列。c）電容觸控屏信號(hào)-執(zhí)行流程圖。d）電容傳感器陣列實(shí)物圖與結(jié)構(gòu)示意圖。e）電容觸控電路原理圖。f）檢測(cè)觸控輸入的電容式觸控傳感器陣列工作實(shí)拍圖。

圖6. a）分子動(dòng)力學(xué)模擬構(gòu)型。b）不同溫度下的非共價(jià)鍵結(jié)合能。c）ΔR/R₀溫度響應(yīng)曲線。d）ΔR/R₀熱冷循環(huán)變化曲線。e）本工作與已報(bào)道溫度傳感器的溫度響應(yīng)系數(shù)（TCR）對(duì)比。

結(jié)論

  該研究開發(fā)了一種無溶劑雙網(wǎng)絡(luò)深共晶凝膠，通過“整體纏繞增韌+長(zhǎng)程取向強(qiáng)化+短程動(dòng)態(tài)耗能”的協(xié)同作用，突破了傳統(tǒng)材料強(qiáng)度與延展性的此消彼長(zhǎng)規(guī)律�；诖穗p網(wǎng)絡(luò)深共晶凝膠平臺(tái)，構(gòu)建多模態(tài)傳感器，為人機(jī)界面及智能軟體機(jī)器人材料提供了不同的思路。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202508233