近日，江南大学刘天西/董建成团队联合韩国科学技术院（KAIST）Steve Park教授在2026年5月29日、6月17日分别以“ Leaf-Inspired Eutectic Skin With Extreme Fatigue Resistance and Robust Wet Adhesion for Amphibious Epidermal Electronics”、“All-Polyimide-Mediated Liquid Metal Assembly on Aerogels for Breathable and Robust Electronic Skins” 为题在 Advanced Materials上连续发表两篇研究论文。现在分别介绍如下：

  皮肤电子器件在智能可穿戴、健康监测、人形机器人等领域发展迅速，离子导电凝胶是连接电子器件与生物组织的关键界面材料。传统水凝胶在空气中易脱水、潮湿环境易吸水溶胀，造成导电介质泄漏、传感性能大幅下降。有机凝胶与离子凝胶虽挥发性低，但存在皮肤刺激和生物毒性问题，应用受限。疏水低共熔溶剂具备生物相容性好、低挥发、离子导电等优势，衍生的低共熔凝胶拥有稳定氢键网络，然而现有低共熔凝胶普遍力学强度低、脆性大，循环受力下聚合物分子链易滑移松弛，引发裂纹扩展和疲劳失效，极大限制长效应用。

  目前双网络、冻融结晶、层级结构等增韧手段已有报道，聚乙烯醇基低共熔凝胶的研究最为广泛，但固有亲水性使其在高湿环境易溶胀，破坏力学与导电稳定性。纤维增强是凝胶增韧的有效途径，可实现应力分散与能量耗散，不过由于人体皮肤表面能低、微观结构复杂，出汗和肢体运动下普通凝胶难以保持稳定贴合。因此亟需开发兼具抗疲劳、低溶胀、强湿粘附、生物相容性的新型低共熔凝胶，突破传统软材料力学与界面粘附的性能瓶颈，为两栖表皮可穿戴电子提供新型结构设计方案。

  针对上述问题，江南大学刘天西/董建成团队联合韩国科学技术院（KAIST）Steve Park教授提出一种兼具超高抗疲劳性、强湿态粘附与优异稳定性的“共融皮肤”，实现了两栖表皮可穿戴健康监测。本研究以取向静电纺聚氨酯纤维为仿生叶脉增强骨架，通过与疏水低共熔凝胶前驱体原位聚合，构建了纤维低共熔复合凝胶。基于该策略制备的共融皮肤表现出独特力学特性：邵氏硬度仅13.6 A，接近人体皮肤；真实拉伸强度达106.51 MPa，疲劳断裂阈值较纯凝胶提升约3399倍，可经受连续10万次缺口拉伸而不发生裂纹扩展。得益于凝胶本征疏水性，复合凝胶100天浸泡溶胀率不足1.1%，其抗溶胀性与环境稳定性远优于传统水凝胶和低共熔凝胶。同时复合凝胶可见光透光率可达80%以上，能超共形贴合指纹、关节等复杂皮肤曲面。该共融皮肤具备优异干湿粘附性能，皮肤粘附能量达152.2 J?m?2，在空气及水下对玻璃、猪皮等多种基底均保持稳固粘附，高低温环境下粘附性能无明显衰减。在电生理监测应用中，该共融皮肤可高精度采集不同握力、手语动作的肌电信号，水下20 cm环境仍能获得高信噪比肌电信号，实现稳定监测。该研究提出了仿生纤维低共熔复合凝胶的通用设计策略，为下一代耐疲劳、全天候、两栖型可穿戴生物电子器件提供了高性能柔性界面新方案。相关工作以“Leaf-Inspired Eutectic Skin with Extreme Fatigue Resistance and Robust Wet Adhesion for Amphibious Epidermal Electronics”为题发表在Advanced Materials上。江南大学化学与材料工程学院2024级硕士生侯佳宇为本文第一作者。

研究亮点

• 受菖蒲叶片叶脉增强与疏水特性启发，构建了取向纤维低共熔复合凝胶，依靠宏观纤维网络与凝胶基质的机械互锁及界面间共价键、氢键相互作用，从结构根源突破传统凝胶力学弱、易开裂的短板。

  
  

• 共融皮肤具备本征强疏水性，百天持续浸泡后溶胀率低于1.1%，有效抑制了水诱导溶胀与界面失效。相较传统水凝胶和低共熔凝胶，在潮湿、水下环境中保持尺寸、导电与力学性能长期稳定。

  
  

• 共融皮肤具备优异干湿双环境粘附能力，皮肤粘附强度高，水下仍可稳固贴合基底；同时生物相容性良好、细胞毒性极低。可长期稳定采集心电、肌电信号，水下也能保持高信噪比，实现全天候、两栖长效健康监测。

图文导读

图1. 纤维低共熔复合凝胶设计思路、作用机制及应用示意图。

  菖蒲叶片拥有叶脉纤维层级增强结构，兼具优异抗弯抗断裂能力与表面疏水防渗特性，可适应水流、强风等复杂外力环境。本研究以此为仿生原型，模仿叶片纤维骨架与保护层结构，构建取向聚氨酯纤维网络作为增强骨架，复合疏水低共熔凝胶基体，制备出仿生共融皮肤。该材料集成超低溶胀、超高抗疲劳、强湿态粘附等综合性能可应用于水陆两栖的表皮电子与长期健康监测领域。

图2. 纤维低共熔复合凝胶微观形貌、超共形特性及抗溶胀性

  SEM与光学显微图像直观呈现取向纤维骨架规整排列，与低共熔凝胶紧密融合，复刻菖蒲叶片各向异性纤维结构。该复合凝胶可见光透光率可达78%以上，光学透明性优异，能紧密贴合指尖、指关节等皮肤复杂轮廓，实现高度共形接触。通过调控单体组分，材料水接触角显著提升，疏水性能大幅优化；100天浸泡后溶胀率仅1.1%，尺寸稳定性极佳。与现有抗溶胀水凝胶、低共熔凝胶相比优势明显，为潮湿环境和水下表皮电子应用奠定结构与性能基础。

图3. 纤维低共熔复合凝胶的力学性能表征。

  相比于纯低共熔凝胶，纤维低共熔复合凝胶的真实拉伸强度、韧性实现大幅提升，同时保持接近人体皮肤的低硬度，实现柔而高强的特性。材料可经受10万次循环拉伸仍维持稳定应力–应变响应，在50%–300%大应变循环下无力学失效。撕裂测试与缺口拉伸实验表明其裂纹扩展阻力优异，疲劳断裂阈值远高于纯凝胶，具备极强抗裂纹萌生与扩展能力，充分证明取向纤维网络对增韧、抗疲劳和耐循环形变的显著增强效果，适配可穿戴器件长期动态形变需求。

图4. 纤维低共熔复合凝胶的抗疲劳机制。

  本研究也揭示了纤维低共熔复合凝胶的抗疲劳增韧机理。图中阐明凝胶与纤维通过微机械互锁、共价作用和氢键形成强界面结合，拉伸过程诱导分子链重排与应变结晶，实现高效能量耗散。SAXS与WAXD表征证实材料存在规整纳米相分离结构，且随拉伸应变增大结晶度明显提升，从微观层面解释力学强化机制。同时对比了纯凝胶与复合凝胶的综合力学差异，并将韧性、断裂能、疲劳阈值与模量关系同近年报道的凝胶、弹性体横向对比，证明该共融皮肤在兼顾柔性的同时，抗断裂与抗疲劳性能远超同类传统软材料。

图5. 纤维低共熔复合凝胶的两栖粘附性能。

  系统研究了共融皮肤的粘附机理与干湿粘附性能。首先阐释材料依靠长烷基链机械锚定、氢键作用与自身内聚能协同实现高效粘附。滚球测试证明其初始粘性远超商用胶带，瞬时粘接能力优异。90°剥离与剪切测试显示，材料对皮肤、玻璃、木材、PET、PTFE 等多种基底均具备高界面韧性，猪皮粘附能量突出。空气与水下环境下仍可保持稳定粘附强度，温变条件下粘附性能无明显衰减。与近年健康监测凝胶材料对比，该共融皮肤在力学稳定性与湿态粘附方面优势显著，可满足出汗、水下等复杂表皮穿戴场景的粘接需求。

图6. 共融皮肤的生物相容性及两栖健康监测性能。

  共融皮肤的生物相容性优异、细胞毒性极低。电化学测试表明，共融皮肤界面阻抗低于商用凝胶电极，且连续7天使用后阻抗增幅更小，长期导电与界面稳定性更优。该材料可精准采集不同握力、手语动作的EMG肌电信号，识别度高、信号稳定。即便在水下环境仍能清晰捕捉肌电信号，信噪比表现优异；同时可实现长达7天连续ECG心电监测，波形完整无畸变，充分验证其在干湿环境、长期可穿戴健康监测中的实际应用价值。

  全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.73563

  电子皮肤作为柔性电子领域的重要发展方向，在健康监测、人机交互、软体机器人以及智能医疗等领域展现出广阔应用前景。理想的电子皮肤不仅需要具备稳定的电信号传输能力，还应兼具长期佩戴舒适性与环境适应性。然而，目前广泛采用的致密性聚氨酯、聚二甲基硅氧烷及聚酰亚胺（PI）薄膜等柔性基底的透气性远低于人体皮肤正常排汗需求，长时间佩戴容易造成汗液积聚、皮肤刺激以及监测信号衰减。

  气凝胶材料因其超高孔隙率和优异透气性能，是构筑透气舒适电子皮肤的重要候选材料。其中PI气凝胶兼具轻质、高强、耐高温和生物相容性等优势。然而，多孔结构同时也给导电层构筑带来了新的挑战：传统导电材料难以牢固附着于疏松气凝胶骨架表面，液态金属颗粒墨水虽然具有良好的表面浸润性，但其表面稳定氧化层会阻碍电子传输，通常需要机械挤压、激光烧结或高温退火等复杂激活方式恢复高导电性。此外，导电层覆盖还容易堵塞气凝胶孔道，降低透气性能。因此，如何在保持超高透气性的同时实现高导电、高稳定和长期可靠服役，是发展高性能气凝胶电子皮肤亟待解决的重要难题。

  针对上述问题，江南大学刘天西/董建成副团队联合韩国科学技术院（KAIST）Steve Park教授提出了一种全聚酰亚胺介导液态金属颗粒组装策略，成功构筑兼具高透气性、高导电性与超长服役寿命的新型气凝胶电子皮肤。

  研究团队首先利用BPDA与DMBZ单体制备超轻质PI气凝胶，并进一步设计聚酰胺酸（PAA）包覆液态金属颗粒形成可印刷电子墨水。热处理过程中，PAA向PI转化时产生体积收缩，通过原位压缩应力破坏液态金属颗粒表面的绝缘氧化层，实现无需外部机械刺激的低温热烧结导电激活。同时，PI分子链与气凝胶骨架之间形成牢固的分子作用和机械互锁结构，显著提升导电网络稳定性。得益于该创新设计，所构筑气凝胶电子皮肤兼具超轻质量、高导电性和优异透气性能。PI气凝胶密度仅约0.09 g cm?3，可轻松置于树叶表面而不引起明显弯曲。同时材料具有本征疏水性（水接触角＞123°），水蒸气透过率高达1700 g m?2 day?1，远超传统致密PI薄膜。液态金属导电网络经140 ℃温和热处理后即可实现烧结导通，电导率达到8.17×10? S m?1。在可靠性方面，导电线路经20万次弯曲循环后仍保持稳定导电性能，在复杂弯折、扭转、水下扰动以及人工汗液环境中均无明显性能衰减。基于该气凝胶电子皮肤平台，研究团队进一步开发了柔性霍尔磁场传感器、可穿戴焦耳加热器以及长期生理电监测系统，实现了复杂运动状态下高信噪比心电（ECG）和肌电（EMG）信号连续采集。连续佩戴7天后仍能维持稳定监测性能，而传统商用Ag/AgCl电极已出现明显脱水失效和信号衰减现象。

  该工作提出了一种兼顾透气舒适性、导电稳定性与长期可靠性的气凝胶电子皮肤构筑新范式，为下一代全天候健康监测、生物电子界面及智能医疗器件的发展提供了新的解决方案。相关工作以“All-Polyimide-Mediated Liquid Metal Assembly on Aerogels for Breathable and Robust Electronic Skins”为题发表在Advanced Materials上。江南大学化学与材料工程学院2024级硕士生朱海军为本文第一作者。

研究亮点

• 提出聚酰胺酸包覆液态金属微粒的分子工程策略，建立了一种全新“化学收缩驱动液态金属烧结新机制”，为液态金属颗粒柔性电子制造提供了普适性新思路。

  
  

• 构筑超轻质聚酰亚胺气凝胶电子皮肤，兼具1700 g m?2 day?1超高水蒸气透过率和本征疏水性，实现柔性霍尔传感、焦耳加热以及长期ECG/EMG监测等多种功能集成，为高性能可穿戴生物电子器件提供通用技术平台。

图文导读

图1. 聚酰亚胺气凝胶电子皮肤的设计理念与整体构筑策略。

  传统电子皮肤普遍面临“透气性与可靠性难以兼得”的核心矛盾：致密聚合物基底虽然具有较好的机械稳定性，却严重阻碍皮肤汗液蒸发；而高孔隙率气凝胶虽具备优异透气性，却难以构建稳定导电网络。针对这一问题，本研究首次提出全聚酰亚胺介导液态金属颗粒组装新策略。通过构筑超轻质PI气凝胶骨架，并引入聚酰胺酸包覆液态金属微粒，实现了导电网络与多孔骨架的一体化集成。与传统柔性电子中导电层覆盖即牺牲透气性的设计不同，本工作利用气凝胶内部三维连通孔道建立“侧向透湿通路”，使水蒸气能够绕过表面导电线路持续传输，从结构层面解决了高导电性与高透气性之间的矛盾，为新一代舒适型电子皮肤提供了新的设计范式。

图2. 超轻质聚酰亚胺气凝胶的结构构筑与性能优化。

  PI气凝胶不仅是导电网络的支撑平台，更决定了整个电子皮肤的透气性、柔性与环境稳定性。研究团队通过调控冷冻温度实现冰晶模板尺寸调节，系统研究了孔结构演化规律及其对力学性能的影响。结果发现，较高冻结温度形成的大尺寸孔结构能够保留更完整、更厚实的骨架网络，从而获得更高强度和结构稳定性。优化后的气凝胶密度仅约0.09 g cm?3，可轻松放置于树叶表面而不引起明显弯曲，同时能够实现打结、卷曲等极端变形而不发生断裂。此外，由于DMBZ结构中的甲基侧基赋予PI较低表面能，气凝胶表现出超过123°的本征疏水性，并可抵抗咖啡、墨水、碘伏等多种液体浸润。结合超过460 ℃的热稳定性，该材料突破了传统透气基底力学性能弱、环境稳定性差的限制，为后续液态金属集成提供了理想多孔透气基底。

图3. 聚酰亚胺包覆液态金属墨水的分子工程设计与低温自激活机制。

  液态金属颗粒虽然具有良好的溶液可加工性，但表面稳定氧化层会阻碍电子传输，因此传统液态金属电路通常依赖机械挤压、激光烧结或高温退火实现导通。本研究创新性地利用PAA包覆液态金属微粒，构筑具有良好流变性能和可印刷性的导电墨水。PAA中的羧基和酰胺基能够与液态金属表面Ga3?形成稳定配位作用，显著提高墨水稳定性和加工性能。更重要的是，研究首次利用PAA向PI转化过程中的体积收缩效应作为液态金属烧结驱动力。当热处理温度140 ℃时，PAA发生热亚胺化并伴随脱水和体积压缩，产生足以破坏氧化层的压缩应力，从而实现液态金属颗粒之间的原位导通。这一过程无需任何机械接触或高温烧结，最终获得高达8.17 × 10? S m?1的电导率，建立了一种全新的“化学收缩驱动液态金属烧结机制”，为液态金属颗粒柔性电子制造提供了普适性新思路。

图4. 导电聚酰亚胺气凝胶的电学稳定性与多功能器件应用。

  对于电子皮肤而言，长期机械变形条件下的导电稳定性至关重要。得益于PI气凝胶柔韧而连续的开放孔骨架结构，导电网络在扭转、弯曲及复杂形变过程中能够有效释放应力集中，保持导电通路完整。实验表明，器件在20万次连续弯曲循环后仍保持稳定电阻响应，展现出远超传统柔性导体的耐久性能。同时，即使在持续水下扰动环境中，导电线路依然能够稳定点亮LED，验证了其优异环境适应能力。基于这一稳定平台，研究团队进一步构建了气凝胶基柔性霍尔磁场传感器和低电压焦耳加热器，实现从信号感知到主动反馈的多功能集成，证明该体系具备构筑复杂柔性电子系统的潜力。

图5. 超高透气性电子皮肤的生物相容性与长期佩戴舒适性。

  长期佩戴电子皮肤最大的挑战之一是皮肤界面的热湿平衡。本研究构筑的PI气凝胶具有高度连通的开放孔结构，即使在表面印刷大面积液态金属线路后，内部三维孔道仍能够维持连续水蒸气传输。测试结果表明，电子皮肤的水蒸气透过率高达1637 g m?2 day?1，接近人体正常排汗需求，远高于传统PI薄膜。同时即使导电层覆盖率达到90%，透气性能仍保持在较高水平，验证了其独特的“导电-透气解耦”设计理念。此外，细胞活力测试和长期佩戴实验均表明材料具有优异生物相容性，连续佩戴7天后皮肤无明显红肿或刺激反应，充分体现了其作为下一代可穿戴电子界面的应用优势。

图6. 长期稳定生理电监测与全天候健康管理应用。

  为了验证电子皮肤的实际应用能力，研究团队系统评估了其在复杂运动环境下的生理电监测性能。由于聚酰亚胺气凝胶电极具有低界面阻抗和稳定皮肤接触特性，其肌电与心电信号质量显著优于传统Ag/AgCl电极。即使经历连续7天佩戴，电极阻抗和信号幅值仍保持稳定，而商用电极在24 h内已出现明显脱水失效。特别是在跳跃、冲刺、水下运动等高动态场景下，气凝胶电子皮肤仍能够稳定采集高信噪比EMG和ECG信号，并成功实现运动状态识别与心率变化追踪。该结果充分证明，全聚酰亚胺气凝胶电子皮肤不仅解决了长期佩戴舒适性问题，同时实现了复杂环境下的高保真生理信息获取，为全天候健康监测、人机交互和智能医疗系统提供了可靠的柔性电子平台。

  全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.73751

作者简介

董建成

副教授

硕士生导师

  研究方向：功能聚合物及其复合材料的设计制备、界面调控和性能研究，可穿戴柔性电子器件及表皮传感器

  主要研究成果：入选2025年中国复合材料协会青年人才托举工程，迄今发表SCI学术论文30余篇，其中以第一/通讯作者在Advanced Materials（3）、Advanced Functional Materials（4）等期刊发表论文16篇。主持国家自然科学基金（青年基金C）、江苏省自然科学基金（青年基金）及中央高校基本科研资助计划等科研项目4项。

  Email：jcdong@jiangnan.edu.cn; jesse_d@outlook.com