传统刚性人机界面面临显著的局限性，主要表现为与人体皮肤之间的力学性能失配，以及依赖外部电源导致的频繁维护和更换问题，这严重制约了其在需要长期稳定运行和高生物相容性要求的无缝人机交互场景中的应用。在此背景下，凭借其独特的材料特性，如能源自主性、可调控的力学性能、类组织柔软性以及优异的生物相容性，自供能水凝胶传感器正逐渐成为推动可穿戴医疗监测、柔性机器人感知和下一代智能人机界面发展的关键技术方案。然而，要实现该技术的规模化应用，仍需攻克长期循环稳定性不足、完全能源自主性欠缺以及自适应智能响应机制不完善等核心挑战。基于此，通过构建材料特性、自供能机制与应用场景三者协同优化的系统性解决方案，对于充分释放自供能水凝胶人机界面在柔性智能交互领域的潜力至关重要。

  针对上述问题，西北工业大学机电学院陶凯教授课题组发表题为“Empowering Human-Machine Interfaces: Self-powered Hydrogel Sensors for Flexible and Intelligent Systems”的综述论文。文章系统梳理了自供能水凝胶人机界面的发展情况，重点涵盖针对多样化需求的水凝胶性能优化策略、自供能机制的分类、以AI赋能的智能应用为核心的关键场景，提出“材料—机制—应用”三维协同优化框架，为推动以水凝胶传感器为基石，融合能源自主性、多模态感知与AI增强响应能力的下一代人机界面发展提供指导。相关研究成果发表于国际期刊《Advanced Functional Materials》上。西北工业大学博士研究生谷一群、硕士研究生郭庆及中山大学博士研究生罗艺冰为文章共同第一作者，西北工业大学陶凯教授、吴宏景教授和中山大学吴进副教授为文章通讯作者。

图1. 基于材料科学发展和功能需求演变的人机界面发展历程。

图2. 自供电水凝胶传感器在人机界面中的应用概览。

要点

  1.水凝胶增强策略：系统探究了提升水凝胶性能（如生物相容性、环境稳定性、导电性、机械性能和自粘附性）的策略，比较了不同策略对水凝胶性能的影响。这些多样化的策略为水凝胶的定制化提供了量身定制的技术，拓展了其在各个领域的应用。

  2.自供能水凝胶传感器：回顾了基于摩擦电、压电、热电、光伏、水伏以及离子迁移和混合发电等自供能机制的自供电水凝胶传感器。

  3.应用的多元化发展：探讨了自供能水凝胶传感器在人机界面中的广泛应用和潜在价值及挑战（如电子皮肤、医疗健康、脑机界面、VR/AR等）。

一．自供能水凝胶传感器

  传统的外部供电方式由于体积庞大且依赖定期更换电池，制约了水凝胶传感器的小型化设计与系统集成。同时，刚性电源与柔性水凝胶材料间的力学性能失配，影响佩戴舒适性。为解决这一关键问题，基于能量转换的新型供电策略，通过将机械能和生物能高效转化为电能，为实现水凝胶传感器的长期稳定运行提供了创新解决方案。

图3. 摩擦电式自供能水凝胶传感器。（a）TENG的典型工作模式；（b）基于三重网络水凝胶的TENG；（c）多功能水凝胶-弹性体作为可拉伸TENG；（d）TENG阵列作为人机交互界面及其性能表征。

图4. 压电式自供能水凝胶传感器。（a）PAN-PVDF水凝胶的形成及其机电响应特性；（b）压电型PVA/PVDF复合水凝胶及其发电能力；（c）P(AM-co-AN)水凝胶的工作原理与压电输出特性。

图5. 热电式自供能水凝胶传感器。（a）热电效应的工作机制；（b）高拉伸性离子水凝胶的热电性能与火灾预警性能；（c）混合离子-电子导电水凝胶的结构与热电性能。纳米纤维膜-微阵列水凝胶；（d）波浪结构可拉伸热电发电机示意图。

图6. 光伏发电式自供能水凝胶传感器。（a）光伏效应的工作原理；（b）基于水凝胶二极管的光酸掺杂光电传感器；（c）纳米纤维素介导的导电水凝胶及其电学性能。

图7. 水伏发电式自供能水凝胶传感器。（a）仿莲花界面蒸发发电机；（b）用于渗透能收集的离子选择性水凝胶膜及其在氯化钠溶液和去离子水中的输出电压变化；（c）水摩擦发电互补式海洋能发电机及其野外应急应用。

二.自供能水凝胶人机界面应用

  水凝胶材料因其与人体组织相近的力学性能和优异的生物兼容性，在柔性电子领域展现出显著优势。基于这些特性，自供能水凝胶传感器近年来在电子皮肤、机器人感知、医疗健康、康复训练及脑机界面等领域得到快速发展，为人机交互界面向可持续、能量自治、智能化方向发展提供了新的技术路径。

图8. 自供能水凝胶传感器应用于智能感知。（a）仿生结构色电子皮肤；（b）仿生多模态电子皮肤及其在人体运动监测中的应用；（c）应用于机器人手的双模态柔性电子皮肤；（d）用于咀嚼监测的热原电池水凝胶电子皮肤；（e）搭载深度学习算法的智能电子皮肤；（f）基于三层水凝胶设计的智能电子皮肤；（g）类皮肤韧性水凝胶电子皮肤。

图9. 自供能水凝胶传感器应用于机器人感知增强。（a）基于MXene水凝胶压力传感器的机器人触觉感知系统；（b）环境适应性水凝胶机器人传感材料；（c）水下机器人用抗疲劳水凝胶应变传感器；（d）环境物体识别用多模态电子皮肤；（e）软体机器人多模态电子皮肤；（f）具备深海触觉感知的软体机械手；（g）应变-摩擦电一体式电子皮肤实现的水下软体机器人抓取系统。

图10. 自供能水凝胶传感器在健康监测中的应用。（a）呼吸监测：ⅰ）用于呼吸监测的水凝胶湿度传感器；ⅱ）非接触式呼吸监测；（b）汗液监测：ⅰ）汗液中尿素的无创检测；ⅱ)固态表皮生物标志物原位检测；ⅲ）自供电表皮汗液生物标志物监测；（c）运动监测：ⅰ）用于笔迹识别与深度运动监测的水凝胶应变传感器；ⅱ）多功能水凝胶运动监测传感及伤口愈合。

图11. 自供能水凝胶传感器在康复训练中的应用。（a）用于康复监测的仿生压力传感器；（b）康复训练与远程诊断用多功能导电水凝胶传感器；（c）多孔骨架封装纱线式运动康复传感器。

图12. 可植入式水凝胶脑机界面。（a）用于长期脑信号监测的拓扑水凝胶；（b）可注射超声超构凝胶传感器及其工作机制；（c）具有强韧导电水凝胶涂层的神经电极及其在体电生理信号记录测试；（d）HPM-Y型脑神经信号记录与神经调控系统；（e）基于支链淀粉的水凝胶脑机界面探针。

图13. 非侵入式水凝胶脑机界面。（a）啮齿类动物模型中力致电流生成与压电离子神经调控；（b）用于无线脑电记录的PVA-PVP-PDA纳米粒子水凝胶；（c）用于脑电生理的ITO水凝胶电极。

图14. 水凝胶传感器应用于VR和AR。（a）手写识别；（b）增强触觉感知与力反馈指环。

图15. AI赋能水凝胶人机界面。（a）接受7天个性化嗅觉训练后的嗅觉能力变异分析；（b）基于深度神经网络的姿态识别机器学习原理示意图；（c）训练与实时手语手势识别的流程架构。

  该综述系统梳理了自供能水凝胶人机界面的材料性能增强策略、自供能机制及多领域应用。自供能水凝胶传感器凭借柔性、生物相容性及自供电特性在电子皮肤、医疗健康、脑机界面及VR/AR中广泛应用，但其仍面临输出功率低、生物相容性、透气性不足及循环稳定性差等挑战。未来研究仍需聚焦于（ⅰ）多网络交联/纳米复合提升循环稳定性；（ⅱ）复合供能机制实现多源能量转换，增强能量输出；（ⅲ）AI赋能多模态数据分析与决策，推动水凝胶人机界面的进一步智能化发展与应用，以推动水凝胶人机界面向更高层次的智能化发展，最终实现真正自治、高效、智能的人机交互系统。该论文得到了陕西省重点研发计划、深圳市科技计划项目、广东省基础与应用基础研究基金、国家自然科学基金以及国家重点研发计划的支持。

图16. 自供能水凝胶人机界面的挑战与展望。

  论文信息：Y. Gu, Y. Luo, Q. Guo, W. Yu, P. Li, X. Wang, T. Ye, H. Chang, W. Yuan, H. Wu, J. Wu, K. Tao, Empowering Human-Machine Interfaces: Self-Powered Hydrogel Sensors for Flexible and Intelligent Systems. Adv. Funct. Mater. 2025, e09085.

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202509085