低温破乳诱导凝胶化策略，高弹性导电气凝胶，实现万次稳定压阻传感与无线步态监测
一、研究背景
柔性压阻传感器是可穿戴健康监测、人机交互系统的核心感知单元。水性聚氨酯（WPU）基导电气凝胶凭借环保、轻质、易加工的优势，在柔性传感领域展现出巨大应用潜力。
但传统 WPU 基导电气凝胶面临两大核心瓶颈：
1. 力学性能不足：本征骨架强度低，高应变与长期循环压缩下易发生不可逆结构坍塌，弹性恢复与抗疲劳性能差；2. 界面结合薄弱：亲水导电填料与聚合物基体界面作用力弱，循环应力下易发生相对滑移、逐步脱落，导致应力传递效率下降、导电通路断裂，传感性能持续衰减。
凝胶约束冷冻铸造是制备均匀超弹性纳米复合气凝胶的有效策略，但尚未应用于 WPU 基导电气凝胶体系；传统 WPU 凝胶化方法普遍存在凝胶速率慢、反应条件严苛、凝胶前驱体结构强度不足等问题，难以支撑后续冷冻铸造获得高弹性气凝胶。
针对以上痛点，本文提出低温破乳诱导凝胶化+凝胶约束冷冻铸造协同策略，制备具有半互穿网络结构的 APTS/CNTs/WPU（ACW）导电气凝胶，同时实现高弹性骨架、连续导电通路与增强界面结合，传感器性能优异，并进一步构建无线步态压力传感阵列。
二、核心创新点
利用低温抑制氨基丙基三乙氧基硅烷（APTS）质子化，延缓阴离子 WPU 乳液的静电破乳速率，将快速失稳的聚集过程转变为可控的凝胶化过程；伴随 APTS 水解缩合形成聚硅氧烷网络，与 WPU、碳纳米管（CNTs）通过静电作用与氢键协同，数分钟内形成三元杂化半互穿凝胶网络。以原位形成的超分子凝胶为前驱体进行定向冷冻铸造，致密的凝胶网络原位包裹 CNTs，有效抑制冷冻干燥过程中纳米填料的二次团聚，得到孔结构均匀的各向异性气凝胶；同时强化填料 - 基体界面结合，避免循环应力下的滑移脱附。80% 压缩应变下 10 次循环弹性恢复率达99.1 %；10000 次循环后塑性变形仅5.1 %；压阻传感器检测范围宽至0-408 kPa，最高灵敏度12.33 kPa⁻¹，万次循环性能稳定，综合性能优于多数已报道的弹性气凝胶传感器。构建 6×4 柔性压力传感阵列，搭配多路采集电路与蓝牙无线传输，实现足底压力分布动态可视化，可用于步态姿态评估、运动矫正与康复监测。
三、制备方法
一、分散液低温配制
1. 将羧基化 CNTs 与阴离子 WPU 加入去离子水，冰水浴（1–2 ℃）下 500 rpm 搅拌 1 h，均匀分散；2. 加入 APTS，冰水浴下继续搅拌 10 min，得到 ACW 分散液。
低温作用：抑制 APTS 氨基质子化，延缓静电破乳，避免体系快速聚集失稳。
二、室温诱导凝胶化
将分散液倒入模具，室温放置 10 min；伴随 APTS 逐步质子化引发静电相互作用，同时 APTS 水解缩合形成聚硅氧烷交联网络，最终形成具有半互穿结构的 ACW 水凝胶。
三、定向冷冻铸造
液氮单向冷冻 10 min（冷冻速率约 10 ℃·min⁻¹），冰晶定向生长挤压凝胶网络与 CNTs，塑造各向异性骨架结构。
四、冷冻干燥
真空冷冻干燥 48 h，升华去除冰晶模板，得到 ACW 导电气凝胶。
对照组设置：
CW 气凝胶：CNTs/WPU 分散液直接冷冻干燥（无 APTS）；ACW‑NG 气凝胶：ACW 分散液不经凝胶化步骤直接冷冻干燥。
四、性能特点
1. 结构与物化特性
微观结构：各向异性取向多孔结构，孔壁厚且均匀；CNTs 均匀分散，无明显团聚；化学结构：形成 Si‑O‑Si 聚硅氧烷交联网络；WPU、CNTs 与聚硅氧烷之间存在大量氢键与静电相互作用；基本物性：密度87 mg·cm⁻³，超轻可立于花朵之上；水接触角 117.5°，疏水；可加工成任意形状；‑10 ℃低温下仍保持良好压缩回弹性；热稳定性：初始分解温度 317 ℃，相比纯 WPU 显著提升；200 ℃以下重量损失可忽略，满足可穿戴温度区间使用需求。
2. 力学性能
高弹性：80% 压缩应变下，最大应力 364.7 kPa，弹性模量 2.1 MPa；10 次循环后弹性恢复率99.1 %，应力损失仅 11.8 %；抗疲劳：60% 应变下 10000 次压缩循环，保留 63.2% 最大应力，塑性变形仅5.1 %；机理：均匀的孔壁结构有效分散载荷，半互穿网络强化孔壁、抑制界面滑移；有限元模拟验证，ACW 应力分布均匀，避免局部应力集中与提前坍塌。
3. 压阻传感性能
宽量程高灵敏度：检测范围0–408 kPa；三段式灵敏度，低压段（0–5.18 kPa）最高灵敏度12.33 kPa⁻¹，中压段 0.37 kPa⁻¹，高压段 0.13 kPa⁻¹；快速响应：0.2 kPa 下响应时间82 ms，恢复时间 63 ms；低滞后高稳定：加载-卸载曲线重合度高，信号滞后小；10000 次循环信号幅值稳定，无明显基线漂移；低温适应性：‑10 ℃与 25 ℃下传感曲线几乎重合，低温环境性能稳定。
4. 人体运动监测
关节运动：可稳定检测手指、手肘、膝盖的弯曲运动，信号重复性好；足底压力：可承受人体体重载荷，清晰识别行走、跳跃、跑步等运动模式；手写识别：精准记录手写轨迹信号，可区分不同字符，具备信息交互潜力。
5. 无线步态监测阵列
6×4 压力传感阵列，采用多路布线减少电极数量与布线复杂度；配套采集电路与蓝牙无线传输，实现足底压力分布实时热图可视化；可记录完整步态周期的压力动态变化，反映足弓生物力学功能，评估步态稳定性与平衡能力，可用于姿态矫正、康复评估、老人跌倒风险筛查。
五、潜在应用
1. 可穿戴健康监测：柔性穿戴式压力传感器，长期监测生命体征、关节运动与步态特征。2. 运动与康复医疗：运动姿态分析、步态矫正训练、下肢功能康复评估。3. 人机交互与输入：柔性压力输入界面、手写识别、动作识别交互。4. 智能鞋服与装备：智能鞋垫、运动鞋压力监测，运动状态分析。5. 柔性电子皮肤：大面积阵列式柔性传感皮肤，机器人与假肢触觉感知。
六、结论与展望
该工作提出低温破乳诱导凝胶化+凝胶约束冷冻铸造协同策略，首次将该方法用于 WPU 基导电气凝胶制备。通过低温调控反应动力学，原位构建聚硅氧烷/WPU/CNTs 半互穿凝胶网络，再经定向冷冻干燥得到结构均匀的高弹性导电气凝胶。
材料实现 99.1% 的高弹性恢复率与万次循环抗疲劳性；压阻传感器覆盖 0-408 kPa 宽量程，最高灵敏度 12.33 kPa⁻¹，响应快、滞后低、低温稳定性好。进一步构建 6×4 无线压力传感阵列，实现足底压力动态可视化与步态分析。该研究为高性能柔性导电气凝胶提供了新的制备思路，在可穿戴健康监测、运动康复、人机交互等领域具有广阔应用前景。
图文解析
图1. ACW 气凝胶制备流程与宏观形貌。图2. 气凝胶形貌结构与化学表征。图3. 气凝胶力学性能与机理。图4. 压阻传感性能与运动监测。图5. 步态压力传感阵列系统。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.76056
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