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  在柔性電子皮膚領域，如何實現底層與生物表面的穩固粘附，以保障信號采集穩定性，同時避免上層與衣物、外界物體的非特異性粘附干擾，是制約其實際應用的關鍵瓶頸。現有的單側粘附策略多依賴梯度交聯的氧抑制聚合、等離子體處理疏水上層等不對稱表面修飾技術，雖能實現一定程度的粘附差異，但存在長期力學應力下的分層風險，且復雜的多步制備工藝，難以滿足柔性電子器件的高效規模化生產需求。此外，如何在保持高傳感性能的同時，實現與自然皮膚的視覺融合，仍是亟待解決的科學問題。

  近日，海南大學張暉副教授、杜杰教授團隊受中國傳統美食年糕的獨特物理特性啟發，提出了一種全新的仿生設計思路：年糕在儲存過程中，上表面因脫水導致氫鍵網絡致密化，分子鏈通過增強氫鍵形成緊湊結構，降低表面自由能并掩蓋粘附功能基團，而底面因與容器接觸受限脫水，保留強粘附性，這種天然的 Janus 粘附特性與干燥誘導的表面紋理（類皮膚褶皺），為電子皮膚的設計提供了完美范本。

  基于此，該團隊采用一鍋法自由基聚合策略，成功制備了具有仿生皮膚紋理的非對稱 Janus 生物水凝膠PPAlC_xG_y。該水凝膠體系通過聚丙烯酸（PAA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、甘油（Gly）、纖維素納米晶體（CNC）與 AlCl₃?6H₂O 的協同作用構建：PAA 鏈通過引發聚合形成網絡骨架，與 Al3?的配位作用及 PVP 羰基的氫鍵作用共同構建穩定三維結構；CNC 的羥基提供豐富的氫鍵位點，通過分子內及與 PAA、PVP 的分子間相互作用強化力學性能；調控 CNC 與 Gly 的質量比，可實現水凝膠從白色到透明、表面紋理從致密到疏松的轉變。

  測試結果表明：該水凝膠展現出顯著的非對稱 Janus 粘附特性，既能保證信號采集穩定又可避免外界干擾；生物相容性優異，力學性能均衡，可承受扭曲、彎曲等復雜形變并快速恢復；基于動態氫鍵與可逆配位鍵的重構能力，在室溫下6小時內的的自修復效率可高達93.5%。作為柔性傳感器，其響應速度快、循環穩定性高、應變檢測范圍寬，既能精準捕捉手指彎曲、喉部振動等細微動作，也能穩定監測腕部、肘部等肢體運動。此外，該水凝膠可作為高性能皮膚電極，高效采集肌電信號（EMG）與腦電信號（EEG），并通過構建閉環控制系統實現對輔助機械臂的實時操控，實現手勢同步復現和基于注意力分數的“意念-動作” 映射，從而完成從生理信號監測到人機交互的全場景適配。這些特性使其在可穿戴健康監測設備、智能人機交互界面、仿生軟體機器人等領域展現出巨大的應用前景。

圖1. (a) PPAlC_xG_y水凝膠的設計和制作示意圖。(b)人體皮膚表面顯微照片（上）和PPAlC_xG_y水凝膠（下）。(c) PPAlC_xG_y水凝膠的傅立葉變換紅外光譜。(d) PPAlC_xG_y水凝膠的整體和放大截面形態圖。(e) PPAlC_xG_y水凝膠薄膜的數碼照片，顯示其光學透明度。

圖2. PPAlC_xG_y水凝膠的粘附性能。(a)沙子、紙巾、木屑在不對稱粘附水凝膠上的粘附行為示意圖。(b)不對稱粘附PPAlC_xG_y水凝膠對填充羅丹明B溶液的一次性塑料滴管的修復性能差異。(c) PPAlC_xG_y水凝膠粘附表面和非粘附表面的XPS光譜：C 1s、O 1s和Al 2p區域。(d)粘附測試示意圖。(e) PPAlC_xG_y水凝膠在不同基質上的粘附強度。(f)水凝膠與不同基質之間可能的粘附機制示意圖。

圖3. (a) PPAlC_xG_y水凝膠的變形。(b)拉伸應力-應變曲線。(c)自愈合機制示意圖。(d)原始水凝膠和自愈水凝膠的拉伸應力-應變曲線。(e) G''''和G "的角頻率相關性。(f) PPAlC₃G₂和(g) PPAlC₅G₀水凝膠的L929細胞染色圖。(h) PPAlC₃G₂和 (i) PPAlC₅G₀水凝膠作用下L929細胞的存活率。

圖4. PPAlC_xG_y水凝膠的機電性能。(a)響應和恢復時間。(b) 超過 2000 次加載和卸載的循環穩定性測試。實時運動監測：(c) 手腕彎曲，(d) 頸部彎曲，(e)手肘彎曲，(f)膝蓋彎曲，(g)腳踝彎曲，(h)說話，(i)手指以一定角度彎曲。

圖5. (a)輔助機械臂控制圖。(b)不同手勢的肌電信號識別。(c)基于腦電圖信號的反饋控制系統控制輔助機械臂。

  該工作以“Chinese Nian Gao Inspired Textured Janus Hydrogel for Body Signal Sensing and Human Machine Interaction”為題發表于《Advanced Science》（Adv. Sci. 2025, e09573）。論文的通訊作者為海南大學材料科學與工程學院海洋功能高分子研究中心張暉副教授和杜杰教授，第一作者為2020級博士研究生李海鈺，海南大學生物醫學工程學院殷明教授團隊共同參與了此項工作。該研究得到海南省重點研發項目（ZDYF2023SHFZ110），海南省自然科學基金（525MS041, 223QN188），海南大學科研啟動基金(KYQD (ZR) 23008，KYQD (ZR) 23009)，國家自然科學基金（32200892，32460207）和科技創新2030重大專項（2022ZD0208600，2022ZD0208602）的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202509573