针对上述问题，武汉理工大学傅正义院士团队与成都大学魏竟江研究员、王清远教授合作，设计了一种基于液态金属的分级结构水凝胶（PAA-ACC-LM@TA，简称 PATL）。该研究利用单宁酸（TA）辅助分散共晶镓铟合金（EGaIn）纳米液滴，并通过聚丙烯酸（PAA）、钙离子和碳酸根离子的螯合作用，在液态金属表面原位生长无定形碳酸钙（ACC），形成了独特的“液态金属@单宁酸@无定形碳酸钙”分级结构。所得水凝胶具有对各种基底的强粘附性、高效的自愈合能力（效率达 88.8%）、卓越的拉伸性（>2000%）和优异的导电性。凭借其独特的流变学和粘附特性，该水凝胶能形成共形的电极/皮肤界面，从而在运动期间实现稳定的电生理信号采集。此外，基于该导电水凝胶组装的应变传感器可实时灵敏地监测人体肢体运动，甚至用于远程智能手势识别。该文章于2025年4月21日以《Reusable Liquid Metal-Based Hierarchical Hydrogels with Multifunctional Sensing Capability for Electrophysiology Electrode Substitution》为题发表于《ACS Nano》（DOI：10.1021/acsnano.4c16933）。

研究示意图

（1）PAA-ACC-LM@TA 水凝胶的结构与组成表征

研究团队利用单宁酸（TA）辅助超声分散液态金属（EGaIn），通过透射电子显微镜（TEM）和元素映射证实，TA 均匀包覆在 EGaIn 表面形成约 100 nm 的纳米球。进一步加入 PAA、CaCl₂ 和 Na₂CO₃ 后，无定形碳酸钙（ACC）在 EGaIn@TA 表面原位生长，形成了独特的分级结构。FTIR、拉曼光谱和 XPS 分析证实了 ACC 的存在及其与 EGaIn@TA 之间的相互作用。这种分级结构使得 PAA 不仅包覆在 EGaIn 表面，还与水凝胶基质发生交联，实现了液态金属在水凝胶网络中的均匀分散和稳定存在。

图1 液态金属基导电水凝胶的制备机理。（a）室温下 PAA-ACC-LM@TA 水凝胶分级结构的形成过程；（b）TA 包覆 EGaIn 形成单分散的 EGaIn@TA 球形纳米颗粒；（c）SEM 和 EDS 图谱显示 EGaIn 均匀分布在 PAA-ACC-LM@TA 骨架中。

（2）水凝胶的机械性能与自愈合表现

流变学测试表明，PATL 水凝胶具有剪切变稀的触变性，且对温度变化敏感（高温下模量增加）。得益于Ca²⁺与 PAA 的螯合、PAA 与 TA 的氢键以及 ACC 与 EGaIn@TA 的配位等多重相互作用，该水凝胶表现出卓越的机械性能。它能被拉伸至初始长度的 2000% 以上，并具有优异的自愈合能力（自愈合效率为 88.8%，愈合时间 < 1秒）。此外，该水凝胶对皮肤、丁腈手套、玻璃甚至铁等多种基底均表现出无选择性的强粘附性（玻璃表面干态剪切强度可达 0.96 MPa），这主要归功于其独特的“互锁+化学粘附”机制。

图2 PAA-ACC-LM@TA 水凝胶的结构和成分表征。（a）PAA-ACC-LM@TA 水凝胶的 HAADF-STEM 图像及 C、O、Ca、Ga 和 In 的 EDS 元素映射；（b-c）液氮处理后的水凝胶粉末 TEM 图像及高分辨图像；（d）SAED 衍射花样；（e-h）FTIR 光谱及 XPS 高分辨光谱分析。

（3）电生理信号监测与人机交互应用

作为电生理电极替代品，PATL 水凝胶展现出优于商用电极的传感性能。在肌电（EMG）监测中，PATL 电极的信噪比（22.92 dB）显著高于商用电极（14.89 dB）；在心电（ECG）监测中，它能清晰记录 PQRST 波形。基于该水凝胶的应变传感器具有高灵敏度（GF ≈ 1.8），可实时监测手指和手腕的弯曲运动，甚至能识别“I LOVE”等手写字符。此外，研究人员还将该传感器集成到无线控制系统中，成功实现了通过手势远程控制机械手的弯曲、抓取和释放等精细动作，展示了其在智能人机交互领域的巨大潜力。

图3 液态金属基水凝胶的机械性能。（a-c）储能模量与损耗模量的频率、触变环及温度依赖性；（d）自愈合效率定量测试；（e）分级结构及自愈合机理示意图；（f-g）对不同基底的粘附展示及皮肤共形粘附；（h-j）粘附强度测试及粘附机理示意图。

图4 液态金属基水凝胶作为电生理电极替代品的多功能传感应用。（a）健康监测示意图；（b-c）EMG 信号检测及与商用电极对比；（d-g）ECG 信号实时监测及波形细节；（h-k）手指/手腕弯曲监测及循环稳定性测试；（l-n）柔性触摸键盘及手写字符识别。

由PATL水凝胶组装而成的柔性应变传感器可以安装在志愿者的手指上，与自动信号处理器和无线发射器集成，并通过蓝牙与智能机械手 无线连接，实现智能人机交互和手势识别。在图5a中，当志愿者佩戴集成手势传感器时，通过“握拳”手势，五 根线的相对电阻变化信号能够远程传输，从而无线控制机械手所有手指同时弯曲。图5b−f展示了PATL传感器通过ΔR/R 0 信号独立控制机械手“拇指”、“食 指”、“中指”、“无名指”和“小指”实时弯曲的能力。因此，基于液态金属的水凝胶传感器在手语翻译和 多功能假肢方面具有广阔的应用前景（图 5g）。图5h中，基于PATL水凝胶的传感器展示了通过无线控制机械手抓取物体的能力。将集成的PATL水凝胶传感器佩戴在志愿者的右手，志愿者能够无线控制机械手执行一系列连续动作，如“弯曲”、“抓取”、“举起”、“转动”和“释放”。

图5 柔性多功能传感器用于智能人机交互。（a-f）通过手指弯曲产生的电阻变化信号无线控制机械手对应手指的动作；（g-h）智能人机交互示意图及无线控制机械手完成抓取任务的演示。