《AM·綜述》北航潘曹峰，山理叢海林/郝三偉、大連工業(yè)邵長優(yōu)：多功能水凝膠界面，重塑柔性電子的未來！

【科研摘要】

柔性電子正從單一功能器件迅速演化為具備多模態(tài)感知、智能閉環(huán)控制和自主操作能力的集成系統。這一范式轉變要求材料不僅具有優(yōu)異的柔韌性和導電性，還需能夠與生物組織協同交互、收集能量、轉換多模態(tài)信號并實現自適應反饋，充當物理世界與數字世界之間的動態(tài)橋梁。水凝膠因其高含水量、類組織柔軟性、生物相容性、可調控的物理化學性質以及高度可設計性，已成為下一代生物集成電子的基礎平臺。然而，隨著分布式傳感、體內縱向監(jiān)測和個性化干預成為標準實踐，水凝膠傳感器的評價基準已從峰值靈敏度和響應時間參數轉向在真實環(huán)境條件（包括汗液、溫濕度波動、多軸應變、無線遙感和有限功率）下的持續(xù)性能。因此，能量收集管理同信號保真度的協同設計已成為將多功能水凝膠基電子轉化為臨床實踐的關鍵轉折點。

近年來，水凝膠界面在分子設計、功能復合和器件集成方面取得了顯著進展。在分子層面，共價鍵、動態(tài)共價鍵和非共價鍵的合理部署實現了機械魯棒性和本征自愈合行為的同時增強。多網絡結構的進展顯著提高了強度和抗疲勞性，而導電納米填料（如導電聚合物、碳納米材料和MXenes）的集成則顯著擴展了電學功能和應用范圍。在制造方面，先進制造技術（包括墨水直寫、光刻微納圖案化、激光微加工和剪紙/蛇形布局工程）已實現了從二維到三維、從均質到異質構型的精準跨尺度結構控制，從而為復雜功能集成提供了基礎平臺。如圖1所示，該圖描繪了多功能水凝膠界面在柔性電子中的演化歷程，展示了其從初始材料開發(fā)，經過多模態(tài)傳感和能量收集的功能增強，最終邁向集成AI驅動反饋和生物醫(yī)學應用的系統級智能。

目前，大多數關于水凝膠基柔性電子的研究仍局限于單一功能或平行分類，缺乏對多模態(tài)協同和系統級集成的綜合分析。特別是，人工智能和物聯網技術的快速演進顯著提高了對下一代柔性電子的需求。因此，水凝膠界面已從被動的單一功能材料演化為能夠感知、能量管理和決策的動態(tài)自適應平臺。這一范式轉變凸顯了對一篇全面綜述的迫切需求——該綜述不僅要總結最新進展，還需重新定義智能系統中水凝膠材料的基本要求。閉環(huán)生物界面、自主軟機器人和環(huán)境響應傳感器等新興應用對支持AI算法無縫集成、促進實時數據處理和維持節(jié)能運行提出了新的標準。此外，數字孿生、機器學習輔助材料設計和可持續(xù)生命周期管理的融合，要求水凝膠系統兼具功能精密性和生態(tài)可行性。因此，系統審視這些方面對于彌合材料級創(chuàng)新與系統級智能之間的鴻溝至關重要，從而引導水凝膠基技術朝著真正自適應、互聯互通和可持續(xù)的智能系統方向發(fā)展。

北京航空航天大學潘曹峰,山東理工大學叢海林/郝三偉、大連工業(yè)大學邵長優(yōu)在《Advanced Materials》期刊上發(fā)表了題為《Multifunctional Hydrogel Interfaces: Reshaping the Future of Flexible Electronics》的綜述論文。該文章提出了以能量-信號雙耦合為核心的"材料-器件-系統"框架，將水凝膠從被動基底轉化為能夠同時實現傳感、能量收集、通信和決策的活性平臺，系統總結了制備策略、先進加工與微納制造技術方面的最新進展，討論了AI引導的逆向設計、數字孿生建模和原位表征等范式轉變方法，為水凝膠基柔性電子向智能、自主和環(huán)境自適應系統演化提供了路線圖。該文章Boya Song和Jing Zhang為共同一作。

【主圖導讀】

圖1: 水凝膠界面向下一代智能柔性電子的演化歷程。

圖2: 用于多模態(tài)傳感、健康監(jiān)測和人機集成的多功能水凝膠界面。

圖3: 軟組織和常規(guī)材料的水合與力學性能比較。(a) 從軟組織（低Pa）到剛性材料如金屬和無機薄膜（高GPa）的楊氏模量對比，突出水凝膠與組織固有的柔軟和柔性特征。(b) 各組織的水合水平，范圍從骨骼的10%到流體結構中的90%以上。

圖4: 多功能水凝膠界面的工程策略。(a) 實現功能適應性的網絡結構。(b) 確保水凝膠與生物電子系統之間穩(wěn)定耦合的界面鍵合機制。(c) 水凝膠基電子的先進制造技術。

圖5: 用于密封、傳感和治療遞送的各種界面平臺的特點與局限性比較。

圖6: 面向皮膚集成電子的多功能水凝膠界面關鍵性能需求。

圖7: 多功能水凝膠與機器學習算法、數字孿生技術和原位表征技術的集成，用于先進水凝膠界面優(yōu)化。

圖8: 基于水凝膠的智能傳感系統集成框架。(a) 水凝膠基電子的代表性傳感機制。(b) 實現柔韌性和適應性的結構設計策略。(c) 確保穩(wěn)定性、可持續(xù)性和生物相容性的性能要求。(d) 針對物理和生化信號的傳感器類型。(e) 與深度學習算法的集成用于智能數據處理。(f) 在健康監(jiān)測、診斷和人機界面中的潛在應用。

圖9: 水凝膠界面在傳感應用中的各種機制。

圖10: 基于水凝膠的生物電子在生理監(jiān)測、治療遞送和人機交互中的應用方案。

圖11: 水凝膠-組織界面穩(wěn)定性的關鍵挑戰(zhàn)。(a) 材料降解損害長期粘附。(b) 細菌定植和生物膜形成加速界面失效。(c) 免疫反應誘導纖維化和包裹阻礙界面耦合。(d) 力學失配誘導應力集中并促進脫粘。(e) 解剖屏障限制不規(guī)則或狹窄部位的適形覆蓋。(f) 水合引起的溶脹應力擴大粘附間隙并損害密封完整性。

圖12: 面向閉環(huán)柔性電子應用的能量-信號耦合系數框架。

圖13: 先進水凝膠柔性電子。(a) 用于實時監(jiān)測生物信號的水凝膠基傳感器，確保可穿戴健康設備中的高信號保真度。(b) 集成水凝膠電極的可穿戴手部傳感器，結合多模態(tài)傳感和反饋機制實現自適應健康監(jiān)測。(c) 用于能量收集的壓電和摩擦電水凝膠系統，為自供電可穿戴醫(yī)療設備提供動力。(d) 配備柔性水凝膠傳感器的可穿戴生物電子，實現持續(xù)生理監(jiān)測并優(yōu)化能效和信號保真度。(e) 結合生物傳感和能量存儲的環(huán)保水凝膠系統，推動可持續(xù)可穿戴技術。(f) 基于水凝膠電子的個性化可穿戴設備，適應個體生理數據實現實時健康監(jiān)測。

圖14: 多功能水凝膠柔性電子的未來機遇與發(fā)展方向。

【結論】

多功能水凝膠與柔性電子的集成為下一代生物界面建立了變革性平臺，有效橋接了生物系統與智能設備。從化學改性、納米復合增強和層級結構工程的基礎進展，到多模態(tài)傳感、能量收集和交互式生物醫(yī)學應用的演示，水凝膠界面已從材料原型迅速演化為個性化醫(yī)療和人機共生的多功能使能平臺。然而，隨著該領域向系統級智能和可持續(xù)部署轉型，其發(fā)展軌跡正受一組匯聚前沿的塑造。

1. AI驅動的逆向設計和數字孿生已在水凝膠電子開發(fā)中得到積極實施，正在改變材料發(fā)現和器件優(yōu)化。通過利用大規(guī)模數據集、生成式設計算法和貝葉斯優(yōu)化學習技術，可實現高預測精度的水凝膠設計，跨化學、網絡結構和功能性能等多個維度優(yōu)化性能。這些工具與實時數字孿生平臺的集成可實現材料行為的動態(tài)實時模擬，根據運行反饋持續(xù)調整和優(yōu)化水凝膠設計。該方法將推動自主生命周期管理、預測性維護和性能優(yōu)化，使材料能夠在實際應用中智能響應變化條件。

2. 跨尺度原位操作與表征是另一個關鍵前沿。通過建立連接外部刺激、結構重構和功能輸出的定量因果鏈，多模態(tài)光譜學和模擬可提供預測性系統健康指標。這種從描述性觀察到機制映射的轉變將支撐可靠性工程，使水凝膠電子從實驗室原型過渡到臨床和工業(yè)可部署技術。

3. 可持續(xù)性和循環(huán)性將成為不可或缺的設計原則。未來的水凝膠電子必須將生命周期評估（LCA）融入研發(fā)管線，優(yōu)先使用生物基聚合物、綠色合成路線以及可降解或可解交聯結構。在系統層面，可回收設備設計和自洽能量策略將實現閉環(huán)循環(huán)電子，與全球碳中和和綠色轉型目標保持一致。

4. 標準化和開放數據基礎設施同樣至關重要，以確保可重復性、互操作性和加速轉化。統一涵蓋靈敏度、耐久性、生物相容性和可持續(xù)性的基準，配合開放獲取數據集和自動化工作流程，將減少碎片化，促進跨學科合作，并使研究成果與監(jiān)管和臨床框架協調一致。

盡管存在這些機遇，關鍵挑戰(zhàn)仍然存在，包括調和矛盾的材料性質（柔軟性與魯棒性、水合與環(huán)境穩(wěn)定性）、延長極端環(huán)境中的器件壽命、確保制造一致性，以及將AI與多組學和多模態(tài)傳感集成以實現自主系統級智能。應對這些重大挑戰(zhàn)需要打破學科壁壘，促進材料科學、計算建模、電子工程和生物醫(yī)學的全棧協同開發(fā)。

展望未來，多功能水凝膠電子將不僅僅作為柔性基底或臨時原型，而是成為個性化醫(yī)療、環(huán)境智能和可持續(xù)數字社會不可或缺的技術基礎。通過將自適應材料設計、跨尺度表征、可持續(xù)工程和標準化評估相結合，該領域有望從探索性研究過渡到成熟的生態(tài)系統，為科學發(fā)現和社會影響雙重賦能。

原文連接：https://doi.org/10.1002/adma.202520644