近日，陕西科技大学生物质与功能材料研究所强涛涛与任龙芳教授受植物细胞壁的溶胀行为启发，开发了一种具有应变传感和溶剂触发报警的双模仿生自修复聚氨酯基离子凝胶，独特的结构赋予其优异的导电性和溶剂诱导膨胀性，实现了离子迁移驱动的溶剂泄漏超灵敏监测和运动感知双模态传感。本工作为可持续柔性电子器件及化学品的安全监测一体化平台的研究提供了新思路。

  2026年6月17日，相关成果以“Bioinspired Self-Healing Polyurethane-Based Ionogel for Dual-Modal Strain Sensing and Solvent-Triggered Alerting”为题发表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.76566）上。陕西科技大学博士研究生胡海洋为本论文的第一作者，通讯作者为陕西科技大学轻工科学与工程学院的任龙芳教授和强涛涛教授。

  随着人工智能与可穿戴设备的飞速发展，柔性电子器件正经历从刚性向高拉伸性、多功能性的转变。然而，现有的聚氨酯/离子液体（PU/IL）复合传感器在力学性能和导电性方面难以保持平衡的性能瓶颈，而且人体运动监测与化学溶剂环境预警功能往往彼此分离，难以实现高效的一体化集成。针对这一行业挑战，陕西科技大学轻工科学与工程学院强涛涛与任龙芳教授团队，从自然界植物细胞壁受潮溶胀后促进离子迁移的独特生理行为中汲取灵感，成功设计出一种集高精运动传感与化学溶剂泄漏预警于一体的新型仿生聚氨酯基离子凝胶（HPU-IL）双模态传感平台，实现了应变传感与溶剂泄露警报的高效集成。

图1 (a)植物细胞壁溶胀示意图；(b) HPU-IL离子凝胶的合成及应用机理。

  在自然界中，植物细胞壁的离子交换受限于较强的空间位阻与表面电荷引起的静电效应，导致常规状态下离子迁移率较低。然而，当其暴露于高湿度环境时，使细胞壁溶胀扩张，大幅提升离子迁移效率。受此启发，研究团队通过共价交联构建了包含受阻脲键和动态可逆键的独特聚氨酯（HPU）分子骨架，以此模拟植物细胞壁的三维大分子网络，并为其引入离子液体[BMIM][TFSI]来模拟细胞内的阴阳离子对。依靠骨架上富含的羧基等负电荷基团与离子液体阳离子之间的静电相互作用及强氢键网络，不仅有效缓解传统复合材料中离子液体容易泄漏的通病，更赋予了系统独特的溶胀响应机制。

图2 HPU-IL离子凝胶自修复性能及原理

  HPU-IL离子凝胶的微相分离网络赋予其优异的综合物理化学性能。实验结果表明，该离子凝胶的断裂伸长率高达805%，拉伸强度1.32 MPa，能完美匹配并贴合人类皮肤的力学区间，同时其离子电导率达到了8.3×10^-4 S cm^-1。在可持续性回收测试中，将其切碎后，在80 ℃下热压重塑， 5次 “切割-重塑”循环后，其杨氏模量和韧性依然保持高度稳定，拉伸强度恢复率高达82%，为减少电子垃圾提供了绿色可持续方案。此外，得益于咪唑阳离子对细菌细胞膜的破坏作用，HPU₁₀₀-IL₅₀也显示出良好的抗菌性能。

图3 HPU-IL离子凝胶的应变传感性能

  在实际应用中，HPU-IL凝胶作为高性能压阻式运动传感器，表现出了优异的高保真信号捕捉能力。当贴附于额头、面颊、手指、手腕及膝盖等身体部位时，传感器能精准捕捉微秒级的电信号变化。更重要的是，在模拟恶劣实际工作环境的极端测试中，该传感器在经历砂纸剧烈摩擦、铁锤重击、乃至上万次反复弯折后，其运动传感信号和基线电阻仍保持高度一致；甚至在水、人工汗液或80%RH 高湿度环境下处理3小时，其电导率仍保持稳定（溶胀率仅为~102%），表现出优异的长期稳定性。

图4 HPU-IL离子凝胶的溶剂泄露警报

  此外，本研究所构建的仿生离子凝胶展现出有机溶剂泄漏的“即时预警”功能。当接触到DMF、EtOH、MeOH和ACE等工业常用有机溶剂时，溶剂分子会迅速渗透进其网络结构并引发局部快速溶胀，极大地促进了阴阳离子的非选择性输运与迁移效率。这一独特的协同耦合机制，使材料在接触溶剂2 s内即可触发电阻迅速下降，并在15~30秒内点亮并激活与之相连的工业安全报警器。这种将高效运动捕获与超快化学预警融合的“双模态”传感策略，不仅打破了单一传感维度的局限，也为未来智能安全防护服、人机交互界面以及特殊工业环境安全监测等领域的多功能一体化材料设计提供了新思路。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.76566