离子皮肤兼具柔软可拉伸和离子传导等特征，是构建机器人触觉和柔性感知界面的核心材料。然而，柔性往往意味着材料不耐动态冲击，在高速变形下极易发生力学失效。赋予离子皮肤类似“非牛顿流体”冲击硬化特性，是化解这一矛盾的关键策略。现有的冲击硬化材料大多高度依赖胶体组装或高熵罚动态键（如高度方向性的B-O键、盐桥氢键、配位键等）。然而，传统离子皮肤富含大量无方向性（即低熵罚）的离子键，对速率响应高度不敏感，导致它们普遍缺乏显著的冲击硬化响应。

  东华大学孙胜童-武培怡团队长期致力于智能柔性防护材料的基础研究，利用高分子动态相分离及粘弹调控策略先后开发了抵抗极限应力破坏的应变硬化（Nat. Commun. 2021, 12, 4082；2022, 13, 4411；2026, 17, 9645；Adv. Mater. 2024, 36, 2408826）、热致硬化（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202204960；2025, 64, e202518064；Natl. Sci. Rev. 2025, 12, nwaf072）和冲击硬化（J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 7533）柔性防护材料以及抵抗疲劳应力破坏的自顺服（Nat. Commun. 2024, 15, 885；2025, 16, 11510；Adv. Mater. 2026, 38, e73701）、高阻尼（Adv. Mater. 2023, 35, 2209581）和自润滑（Adv. Mater. 2024, 36, 2411273）柔性防护材料。这些工作突破了传统材料柔性与防护性能相互制约的固有瓶颈，为发展高性能智能柔性防护材料提供了新的结构设计范式。

  针对离子皮肤固有冲击硬化响应差的难题，近期，该团队尝试从高分子拓扑构象的角度寻找解决方案。他们发现，两只雄性麋鹿在争斗时，彼此交错的鹿角能够通过复杂的几何缠绕形成稳定的拓扑自锁结构。受这一宏观自然现象的启发，研究团队萌生了一个大胆的想法：能否将类似的自锁机制“下移”到分子尺度？为此，团队以超支化聚乙烯亚胺（HPEI）为骨架，通过季铵化及阴离子交换成功制备了 HPEI-Q-TFSI超支化聚离子液体。该材料完全不依赖高熵罚动态键和胶体剪切增稠效应，便实现了剪切模量从低速 12 kPa (0.1 Hz) 到高速 70.3 MPa (100 Hz) 的惊人切换，冲击硬化倍数高达 5858 倍，远超已报道的同类材料。

  2026年10月8日，相关成果以“Topological Self-Locking of Hyperbranched Poly(ionic liquid)s for Impact-Stiffening Ionic Skins”为题，发表于《Journal of the American Chemical Society》(DOI：10.1021/jacs.6c15094)。东华大学化学与化工学院硕士研究生陈璇琪为文章第一作者，东华大学孙胜童研究员和武培怡教授为论文共同通讯作者。

图1. 超支化聚离子液体拓扑互锁构筑冲击硬化离子皮肤

  研究发现，该超支化聚离子液体的冲击硬化响应高度依赖分子尺寸。通过精准调控原料HPEI的分子量，随着分子尺寸的逐步增大，材料可实现从粘流态向玻璃态的连续切换。当HPEI分子量为800 g mol^-1时，所得离子皮肤呈现出最为显著的冲击硬化响应，其切换特征频率约为 10 Hz。

图2. 超支化聚离子液体的冲击硬化性能优化

  优化后的离子皮肤在室温下表现出缓慢的冷流特性，能够动态适配任意复杂形状的物体。其流变学松弛谱呈现出单一的Maxwell松弛峰，表明该材料的冲击硬化行为由单一的玻璃化转变过程控制。此外，为了验证“超支化拓扑构象”的决定性作用，团队合成了两个线性对照样（线性PEI-Q-TFSI聚离子液体及PDMAEA-Q-TFSI离子液体凝胶），并将它们的玻璃化转变频率均调控至 10 Hz 进行对照。结果显示，缺乏拓扑互锁结构的线性样品，其冲击硬化倍数仅为 68 倍和 109 倍，远低于超支化样品的 5858 倍，充分证明了拓扑自锁机制的关键作用。

图3. 冲击硬化离子皮肤及线性对照样的速率响应性

  进一步的机理研究表明，该材料呈现典型的剪切稀化效应，因此其硬化行为无法用传统非牛顿流体的“颗粒堆积密度涨落（Jamming）”机理来解释。SAXS-WAXS测试表明，材料在玻璃化转变过程中虽无明显的相分离结构变化，但展现出清晰的结构互锁特征。结合低场核磁及二维相关光谱分析，研究人员发现该超支化分子存在三层活动性差异明显的核壳结构，导致冲击硬化的拓扑互锁主要发生在最外层分子链的玻璃化过程。

图4. 冲击硬化离子皮肤的硬化机理解析

  最后，研究团队全面测试了该离子皮肤的实际防护与传感性能。该材料展现出优于传统橡皮泥（聚硼硅氧烷）的硬化阻尼效果，在超高速冲击下具备极强的能量吸收能力。将离子皮肤捏成锥形，甚至可以轻松砸开坚硬的椰子壳；包覆该皮肤的玻璃片在 1.4 米高度自由落体下也能保持完好无损。基于摩擦起电原理，该离子皮肤在发挥冲击防护功能的同时，还能通过感应电压实时、精准地监测冲击力的大小，为新一代智能可穿戴护具和柔性防护装备提供了全新的解决方案。

图5. 冲击硬化离子皮肤的感知防护能力。

  该研究工作得到了国家自然科学基金优青（青B）、重点和面上项目的资助与支持，同时感谢德国于利希中子散射中心（JCNS）吴宝虎博士在SAXS-WAXS解析方面提供的宝贵帮助。

  论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c15094