导电水凝胶是开发柔性可拉伸传感器件的理想材料，然而它们的关键特性，如高灵敏度、优异的拉伸性和环境稳定性，难以同时实现，限制了其广泛应用。近日，湖南大学段辉高教授团队提出了一种由Kirigami剪纸结构启发的工程策略，显著提高有机水凝胶应变传感器的应变灵敏度，并实现了水下人机交互系统应用和可穿戴摩斯密码的人工智能识别。成果以“Kirigami-Inspired 3D-printable MXene Organohydrogels for Soft Electronics”为题发表在国际材料与器件领域著名学术期刊Advanced Functional Materials (IF 19.0)上，该论文的第一作者是湖南大学机械与运载工程学院的卓凤玲，通讯作者为湖南大学机械运载工程学院段辉高教授和周剑副教授。

  该论文通过将海藻酸钠纳米纤维和导电MXene纳米片引入由甘油-水二元溶剂渗透的聚合物双网络中，制备了具有多重互穿网络结构的有机水凝胶，其具有优异的拉伸性（>5000%）、良好的灵敏度和保水性能（>30天）。为进一步增强传感灵敏度，通过3D打印技术设计和制备了Kirigami剪纸结构的水凝胶，并结合有限元分析方法对其在拉伸过程中的力学行为和应变传感机理进行了深入系统研究。基于微观尺度上MXene纳米片的相对滑移效应和宏观尺度上Kirigami剪纸结构增强策略，该水凝胶传感器的应变灵敏度高达29.1，同时兼具快速的响应特性和良好的循环耐久性。基于该传感器，开发了一种智能手套，与工业机械臂集成以抓取水下物体，展示了先进的水下人机交互应用能力。同时，通过集成机器学习算法，开发了可穿戴的摩斯密码识别与翻译系统，对于字母、数字和句子的摩斯密码信号识别，具有高准确率（>99%）和快速的识别时间(~0.17 ms)。该研究为开发具有高灵敏度、可拉伸和环境稳定性的有机水凝胶传感器提供了一种新思路。

图1 有机水凝胶的合成和Kirigami结构的制备示意图，以及传感器性能

图2 有机水凝胶传感器的Kirigami剪纸结构设计

图3 基于Kirigami剪纸结构的有机水凝胶传感器的关键传感性能

图4 水下人机交互应用

  该工作获得了国家自然科学基金（52075162）、湖湘青年英才（2023RC3099）、湖南省高新技术产业创新引领计划(2021GK4014)等项目的支持；同时得到了英国诺森比亚大学傅永庆教授，中南大学湘雅三医院谢建飞教授，浙江大学骆季奎教授、汪小知副教授的大力支持。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202308487