自然界中，章鱼触手、人体皮肤等生物组织具备出色的感知致动反馈闭环能力，可实时感知外界力学、接触刺激，完成自适应抓取与精准反馈调控，为智能软材料的设计提供重要仿生灵感。在柔性电子、仿生软体机器人与人机交互领域，集致动与自传感一体化的刺激响应水凝胶备受关注。然而，现有自传感水凝胶致动器普遍面临传感灵敏度不足、形变-电信号耦合效率低的瓶颈；传统刚性填料构筑的微纳导电网络，在反复致动形变下容易发生不可逆断裂，造成信号漂移、循环稳定性差，制约了闭环反馈智能软系统的实际应用。因此，开发兼具高灵敏度、优异循环稳定性，可实现致动传感协同输出的一体化水凝胶，对下一代人机接口、仿生软体机器人发展具有重要研究价值。

  近日，东北大学王铁强教授、田野研究员，江西科技师范大学卢宝阳教授研究团队提出微纳协同组装策略，构筑液态金属/碳纳米管（LM/CNT）可重构“岛-桥”导电网络，将其嵌入温响应PNIPAM基体，得到高性能LM/CNT-PNIPAM (LCP) 自感知致动水凝胶。海藻酸钠包裹的液态金属微球充当可形变导电“岛”，羧基化碳纳米管充当柔性导电“桥”，搭建起连续可重构导电通路。在拉伸、光热致动过程中，“桥”结构发生可逆断裂-重建，显著放大电学输出信号。该LCP水凝胶实现超高应变灵敏度（GF=38.9），历经1000次循环仍保持稳定传感性能。基于该材料，研究团队搭建可穿戴传感平台，实现人体运动、生理电信号采集；结合机器学习算法完成手势远程控制智能小车；进一步依托物联网通信，构建仿生自感知触手，能够定量识别接触物体尺寸，驱动机械手输出对应手势，为高反馈智能软系统提供全新材料范式。

  2026年9月24日，该成果以“High-Sensitivity Self-Sensing Hydrogels With Reconfigurable Island–Bridge Networks for Human–Machine Interaction and Intelligent Bioinspired Recognition”发表在《Advanced Functional Materials》。东北大学博士研究生张志琳为论文第一作者；东北大学王铁强教授、田野研究员，江西科技师范大学卢宝阳教授为共同通讯作者。

图1. LCP 自传感致动水凝胶制备原理与应用示意图。(a) LM/CNT“岛桥”导电网络制备流程，以及水凝胶在拉伸、光热致动下导电网络可逆重构机理；(b) 材料面向人机交互手势识别、智能仿生触手两大应用场景。

亮点1：构筑可重构微纳“岛?桥”导电网络，实现高灵敏、高稳定传感性能

  传统岛-桥结构大多依赖刚性导电单元，反复形变后网络易发生永久性破坏。本工作选用兼具金属导电性与流体形变能力的EGaIn液态金属，超声破碎得到液态金属微液滴；引入海藻酸钠SA作为界面粘结剂，在液态金属微球表面形成稳定包覆层，同时锚定碳纳米管，组装得到LM@SA-CNT岛-桥复合填料。SA包裹液态金属微球作为导电“岛”，相互之间依靠碳纳米管柔性“桥”连接，形成连续导电网络。

图2. LM/CNT岛-桥填料与LCP水凝胶材料表征。(a-f) 液态金属、LM/CNT复合颗粒的SEM、TEM以及元素映射；(g-h) LCP水凝胶SEM形貌与XPS表征。

  在外界拉伸形变时，碳纳米管导电桥发生局部滑移、可逆断开，调控岛与岛之间导通状态，带来电阻急剧上升，放大传感信号；当光热触发 PNIPAM发生相变收缩时，又促使碳纳米管桥聚集、导电通路致密化，电阻下降。整个过程为可逆动态重构，不会造成导电单元永久损毁。得益于独特结构，最优配比的LC₆P水凝胶应变灵敏度因子高达GF=38.97，1000次拉伸循环后信号漂移仅0.3%，解决传统导电水凝胶灵敏度与循环稳定性难以兼顾的痛点。

图3. LCP水凝胶应变传感性能及可穿戴监测。(a-e) 与对照组对比的传感灵敏度、响应速度、循环稳定性；(f-j) 用于关节运动监测、心电生理信号采集。

亮点2：可穿戴传感与机器学习结合，实现手势驱动远程人机交互

  凭借高信噪比的传感输出，LCP水凝胶被制备成柔性应变传感器件，组装到智能手套。不同手指弯曲产生差异化电阻变化信号；搭建单层人工神经网络ANN，以五路传感信号作为输入，输出前进、左转、右转、后退四种指令。基于4位受试者总计4000组手势数据集训练后，手势识别总体精度可达99.75%。将识别结果经由MCU、无线传输模块下发，成功实现手势对智能小车迷宫路径的远程操控。该体系无需复杂信号预处理，依托材料本身高灵敏输出即可完成高精度手势判别，在可穿戴人机交互界面展现巨大潜力。

图4. 基于LCP水凝胶智能手套的手势识别与远程小车控制系统。(a) 不同手势对应的多通道传感信号；(b) 人机交互系统框架；(c) 人工神经网络结构；(d) 手势识别混淆矩阵；(e) 手势远程操控小车运动实拍。

亮点3：光热自传感致动：形变与电学反馈高效耦合

  LM与CNT均具备优异光热转换能力。近红外NIR照射下，LCP水凝胶局部温度超过PNIPAM的最低临界溶解温度LCST，发生非对称收缩，实现快速可逆弯曲，6 s内弯曲角度可达52°。致动形变过程中，内部岛桥导电网络同步动态重构，产生幅度超过200%的相对电阻变化(ΔR/R?)；同等致动幅度下，远高于仅液态金属（LP）、仅碳纳米管（CP）对照组。

  电信号变化与弯曲形变几乎同步，无明显时间滞后；30次光热开关循环后，弯曲角度和传感信号均可稳定复现。同时，随着近红外光功率密度提升，水凝胶弯曲角度单调增大，反馈电阻信号同步规律性变化，可以通过读取电学信号反推致动器实时变形程度，真正实现致动行为的本征自感知。

图5. LCP水凝胶光热致动与自传感性能。(a) 光热致动机理示意图；(b) 近红外照射下水凝胶弯曲与红外热成像；(cd) LCP、LP、CP三组致动角度与电阻响应对比；(e) 单次光热循环下弯曲角度与电阻信号实时对应关系；(f) 与已报道自传感致动水凝胶灵敏度对比；(gh) 不同光功率下温度、弯曲角度与电信号响应。

亮点4：仿生自感知触手，实现物体接触识别与软硬机器人交互

  利用LCP水凝胶开发仿生智能触手系统，整套系统包含LCP水凝胶致动触手、信号采集蓝牙传输单元、ESP32主控模块、机械手执行终端。近红外光驱动触手向上弯曲，当运动路径存在障碍物球体时，物体限制触手进一步形变，输出差异化电阻反馈。

  触手分别接触直径1 cm、2 cm、3 cm 球体，产生-201%、-147%、-75%三组区分度显著的传感信号。基于信号特征，系统识别球体尺寸，通过物联网下发指令，驱动机械手输出对应1、2、3手势；而LP、CP对照组因为灵敏度不足，面对不同尺寸物体几乎无法输出区分信号，机械手不能完成差异化响应。该仿生触手实现“致动-接触感知-识别-机械执行”完整闭环，为软-硬混杂机器人系统开辟新思路。

图6. 仿生自感知触手物体识别与人机交互。(a) 仿生触手工作原理；(b) 整套信号采集无线传输-机械手控制框图；(c) 接触不同直径球体的传感信号；(d) 球体直径与弯曲角度、电阻信号拟合曲线；(e) LCP与LP、CP三组触手信号对比；(f) 触手识别物体，机械手输出对应手势实拍。

  结论：该工作提出微纳协同组装策略，构建LM/CNT可重构“岛-桥”导电网络，得到高灵敏度自传感LCP水凝胶致动器。利用导电网络可逆断裂-重建机制，突破传统自传感水凝胶灵敏度与循环稳定性的矛盾。材料既可以作为可穿戴传感器监测人体运动与生理信号，结合机器学习完成手势远程控制；又能够实现光热致动-电学反馈一体化，搭建仿生感知触手，完成接触物体的定量识别，驱动刚性机械手完成交互动作。该研究发展了液态金属-碳纳米管岛-桥结构设计策略，为开发高灵敏度、高稳定性、致动-传感集成的智能水凝胶，下一代仿生软体机器人、人机交互接口提供重要材料方案。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.78602