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  隨著科技發展，傳統剛性人機界面在人機交互場景中暴露出與人體力學性能失配、依賴外部電源等局限。與此同時，可穿戴醫療監測、柔性機器人感知等領域蓬勃發展，迫切需要發展新型傳感器。水凝膠傳感器憑借獨特優勢，逐漸成為推動相關領域進步的關鍵技術。導電水凝膠具有優異的機械性能、高離子導電性、良好的生物相容性以及與軟組織的相似性程度高，被認為是一種很有前景的候選材料，但要同時實現高機械性能和高導電性卻是一個重要的挑戰。

  近日，河北工業大學化工學院王瑞虎研究員團隊模仿蜘蛛絲的軟硬多相結構，將線性聚合物非共價地穿入氫鍵有機框架（HOFs）孔道中，制備了一種軟硬多相水凝膠。軟硬多相結構促進了能量耗散和離子傳輸。拉伸強度、韌性和離子電導率分別高達135.23 kPa、2.69 MJ m^-3和4.33 ± 0.02 S m^-1。所制備的水凝膠傳感器具有2.2的高靈敏度和1000次的循環穩定性，能夠實時監測人體活動，并與可穿戴手套結合，識別和轉換手勢。該研究為構建基于HOFs的強韌水凝膠傳感器以提高循環穩定性和機械耐用性提供了新方案。

  相關論文以“Energy Dissipation Mediated by Multiple Noncovalent Interactions in Hydrogen-Bonded Organic Frameworks-Based Hydrogels for Wearable Gesture-to-Recognition Translation”為題發表在Angewandte Chemie International Edition上，碩士生劉國輝為論文第一作者，王瑞虎研究員和王丹博士為論文通訊作者。

  研究人員首先合成含氟基團的氫鍵有機框架（HOF-F），然后將低共熔溶劑（DES）擴散至其孔道中進行聚合，形成HOF-F/PDES水凝膠。結構表征顯示HOF-F與PDES鏈之間形成強氫鍵作用。力學測試表明，COF/PAAm在拉伸和壓縮實驗中均表現出優異的強度、韌性和能量耗散能力，尤其在循環拉伸和壓縮過程中顯示出良好的抗疲勞性。在應變傳感性能方面，HOF-F/PDES展現出高達4.33 ± 0.02 S m^-1的離子電導率，優于多數已報道的聚丙烯酸和聚丙烯酰胺類的水凝膠。將其封裝成三明治結構的應變傳感器后，該器件在拉伸和壓縮狀態下均表現出快速、穩定且可逆的電信號響應、寬應變監測范圍和高靈敏度。在實際應用中，HOF-F/PDES傳感器可貼附于人體手指、肘部、腕部和手腕，實時監測關節彎曲和脈搏跳動，表現出良好的穩定性和抗凍保濕性能。并與可穿戴手套結合，識別和轉換手勢，在無障礙通信和健康監測中展現出巨大潛力。

圖1. HOF-F/PDES的合成示意圖。

圖2. (a) PDES、HOF-F/PDES、H₄FBPy/PDES和HOF-H/PDES的拉伸應力-應變曲線以及(b)相應的韌性和拉伸強度。(c) HOF-F/PDES在拉伸和恢復過程中照片。(d) Ⅰ) HOF-F/PDES提升200 g重物、Ⅱ)打結和拉伸、Ⅲ)抗割性、Ⅳ)抗穿刺性。(e) HOF-F/PDES在應變范圍從100%到1400%之間的循環拉伸測試。(f)HOF-F/PDES在94%應變下的壓縮應力-應變曲線。(g) HOF-F/PDES在壓縮應變范圍從10%到80%之間的壓縮應力-應變曲線。(h) HOF-F/PDES在50%應變下進行1000次循環的拉伸測試。

圖3. (a) PDES、HOF-F/PDES、H₄FBPy/PDES和HOF-H/PDES的電導率。(b)與已報道的聚丙烯酰胺和聚丙烯酸水凝膠的拉伸強度、斷裂伸長率、韌性及電導率的對比。(c) HOF-F/PDES在不同拉伸應變下的相對電阻變化。HOF-F/PDES傳感器實時監人體運動：(d)手指和(e)肘不同彎曲角度、(f)手腕不同彎曲方向、(g)手腕脈搏跳動。

圖4. (a)從采集到識別的手部動作信號圖。(b)由HOF-F/PDES模塊組成電子手套照片以及實時顯示手語數字0。(c)從1到0，(d)“ASL”、“很高興見到你”、“你好嗎”和“公交車”的手語照片及對應的電信號。

圖5. (a) AAm、AA和ChCl向HOF-F通道中擴散的分子動力學模擬。(b) AAm與HOF-F之間、AA與HOF-F之間、ChCl與HOF-F之間、水與HOF-F之間的范德華相互作用能和靜電能。(c) AAm與HOF-F、AA與HOF-F、ChCl與HOF-F、水與HOF-F之間氫鍵的徑向分布函數。(d)軟硬多相結構示意圖。拉伸過程中的(e)相互作用能變化以及(f)聚合物與HOF-F之間的氫鍵數。

  原文鏈接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202514750