随着柔性电子、可穿戴设备和智能人机交互技术的快速发展，柔性传感材料已成为材料科学领域的重要研究方向。对于柔性水凝胶传感器而言，导电网络与力学支撑网络的结构直接影响其信号传输、力学响应和长期稳定性。然而，在传统纳米复合水凝胶中，导电填料一般通过简单物理混合引入，填料之间以及填料与聚合物网络之间缺乏有效的界面耦合，容易导致导电通路不连续、不稳定，进而限制导电性、力学韧性和环境稳定性的同步提升。因此，如何在水凝胶内部构建稳定、连续且可随形变动态响应的导电网络，是高性能柔性传感材料设计中亟待解决的关键问题。

图1. 仿生设计原理与界面工程策略的示意图。

  近日，南通大学孙文旭副教授、张雷副教授与南京大学薛斌副教授团队合作提出了一种基于仿生界面工程的双纳米复合水凝胶（DCM水凝胶）设计策略（图1）。

  2026年5月26日，相关成果以“Bioinspired Interfacial Engineering of Dual-Nanocomposite Hydrogel for High-Performance Strain Sensing with Exceptional Stretchability and Toughness”为题发表在《Adv. Funct. Mater.》上。南通大学孙文旭副教授、张雷副教授、南京大学薛斌副教授为共同通讯作者，南通大学硕士研究生周乐朋为该文章的第一作者。该研究获国家自然科学基金与江苏省自然科学基金的支持。

  该研究受贻贝足丝蛋白的儿茶酚化学启发，利用多巴胺功能化的碳纳米管（DCNTs）作为活性界面桥接位点，与MXene纳米片进行耦合。该DCM水凝胶展现出较高的拉伸性、优异的韧性以及出色的导电性。由水凝胶制成的柔性应变传感器件，不仅能够监测人体运动与脉搏跳动，其结合机器学习算法后，还可实现准确的语音识别。

图2. DCNT的合成及其对MXene的保护作用

  研究通过将多巴胺分子接枝到碳纳米管表面，制备出多巴胺功能化碳纳米管（DCNT），并利用其表面的儿茶酚基团与 MXene 二维纳米片形成稳定的界面耦合。与传统简单混合不同，DCNT 在该体系中不仅作为导电填料，更起到“桥接”作用，能够连接并稳定 MXene 纳米片，促进形成连续的双纳米复合导电网络。同时，儿茶酚基团可通过氢键等相互作用改善 MXene 的分散性，并有效抑制其在水环境中的氧化和团聚，从而提升导电网络的长期稳定性。

图3. DCM水凝胶的优异机械性能

  在此基础上，研究团队将 DCNT/MXene 纳米复合结构引入松散交联的聚丙烯酰胺水凝胶网络中，构筑了双纳米复合导电水凝胶。该水凝胶一方面依靠 DCNT/MXene 复合结构形成稳定导电通路，另一方面利用纳米填料与聚合物网络之间的可逆界面作用实现应力分散和能量耗散，从而在保持柔软性的同时显著提高材料的力学承载能力（图3）。实验结果表明，该水凝胶具有优异的综合性能，电导率达到约 0.37 S m^-1，断裂应变可达 1400%，韧性达到 14.35 MJ m^-3，并表现出良好的抗穿刺性能和循环拉伸稳定性。作为柔性应变传感器，该水凝胶GF可达 20.15，能够在较宽应变范围内输出稳定、可重复的电信号（图4）。

图4. DCM水凝胶的优异传感性能

图5. 多模式生物力学传感与人机交互

  进一步应用测试表明，该水凝胶传感器可稳定贴附于人体表面，用于监测手指、手腕、肘部等关节运动，也可用于精确识别吞咽等微小喉部运动信号（图5）。在脉搏监测中，该传感器能够有效区分静息状态和运动后心率状态，体现出对细微生理信号的高灵敏响应能力。此外，该水凝胶还具有良好的生物相容性和可重复黏附性能，可黏附于皮肤、玻璃、塑料和金属等多种表面，并在多次贴附/剥离循环后保持较稳定的黏附效果，为其在可穿戴生物电子器件中的长期使用提供了基础。

图6. 机器学习赋能的高精度语音识别

  为探索下一代智能人机接口（HMI）应用，研究团队将该水凝胶传感器与机器学习算法结合，构建了基于喉部应变信号的语音识别系统（图6）。该系统通过采集发声过程中喉部运动引起的应变-电阻变化信号，将一维时间信号转化为二维时频图谱，并输入神经网络模型进行分类识别。结果显示，该系统可识别多个英文词汇，测试集准确率达到 95.19%，表明该柔性水凝胶传感器不仅能够用于常规运动和生理信号监测，也具备用于智能人机交互、辅助交流和柔性语音控制界面的潜力。

  这一工作是团队近期在柔性传感水凝胶方向取得的最新进展之一，提出了一种具有普适意义的仿生界面设计策略。通过调控纳米填料之间及其与聚合物网络之间的界面相互作用，研究实现了导电网络稳定性、力学韧性与传感灵敏度的协同提升，为高性能柔性传感水凝胶的构筑提供了新的设计思路，也为可穿戴健康监测、生物集成电子器件、软体机器人和智能人机交互等领域的发展奠定了重要材料基础。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.76135