迈向类皮肤传感器：柔性导电凝胶助力可穿戴摩擦电传感器
2026-02-25 14:45:33 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文对可拉伸类皮肤导电凝胶摩擦电传感器进行了全面而系统的概述和比较分析。未来，随着导电凝胶化学、界面工程与器件架构的持续发展，有望进一步推动可拉伸导电凝胶基摩擦电纳米发电机成为动态机械信号转换的通用材料与器件平台，助力下一代类皮肤电子系统的发展。
随着人工智能（AI）与可穿戴电子技术的快速发展，人们对能够持续感知机械刺激和人体运动的类皮肤、柔性自供能传感器的需求日益增长。基于摩擦电纳米发电机（TENG）、并集成可拉伸导电凝胶的可穿戴传感器，通过将柔性机械顺应性与高效机电信号转换相结合，展现出满足上述需求的巨大潜力。然而，传统的金属电极或复合电极通常与柔性类皮肤系统存在力学失配的问题，这推动了对本征柔性且可拉伸的导电凝胶材料的探索。
据麦姆斯咨询报道，近期，深圳大学在Gels期刊上发表了题为“Toward Skin-like Sensors: Stretchable Conductive Gels for Triboelectric Applications”的综述文章。本文对可拉伸类皮肤导电凝胶摩擦电传感器进行了全面而系统的概述和比较分析。首先，系统地总结并比较不同类别的导电凝胶，包括水凝胶、有机凝胶、离子凝胶及其它新兴凝胶系统，涵盖其组成、交联策略、导电性和机械特性。接着，阐明了导电凝胶在连接类皮肤传感功能与摩擦电应用中的关键作用，重点介绍其本征柔性、可拉伸性、自修复能力及界面贴合性如何实现紧密的皮肤接触和可靠的机电耦合。进而，结合典型案例与对比分析，重点讨论了凝胶基类皮肤摩擦电传感器的关键性能指标，包括可拉伸性、自修复行为、光学与热耐受性、电学耐久性及环境稳定性。进一步综述了典型器件结构，例如薄膜型、纤维型及织物型架构，阐述其结构-性能关系与应用导向的设计策略。最后，概述了可拉伸导电凝胶基摩擦电系统当前面临的挑战、局限性及未来研究方向，以期为基于导电凝胶的高性能类皮肤摩擦电传感器的合理设计提供实用指导与思路。
可拉伸类皮肤导电凝胶类型
平衡电导率或离子电导率与机械弹性仍是可拉伸导电凝胶研发的核心挑战。文中按凝胶类型梳理了这类弹性导体的工程化策略。鉴于凝胶分类的复杂性，研究人员主要依据液相组成，将可拉伸导电凝胶分为水凝胶（包括纯水凝胶及含添加剂的复合水凝胶，例如有机水凝胶、离子水凝胶）、有机凝胶和离子凝胶三大类。此外，简要探讨了深共晶凝胶、剪切增稠凝胶等其它新兴弹性导电凝胶体系。
基于溶胀相或活性物种的导电凝胶分类
通过导电凝胶集成类皮肤传感器和摩擦电应用
类皮肤传感器与摩擦电应用的集成，是可穿戴电子与自供能器件领域的重要发展方向。尽管这两个领域常被视为相互独立，但导电凝胶作为衔接二者的关键材料，使得兼具柔韧性与摩擦电发电能力的器件成为可能。类皮肤传感器旨在模拟人体皮肤的特性，例如柔性、可拉伸性、自修复能力以及对外界刺激的响应灵敏度。这类传感器需要能够贴合皮肤表面、在拉伸状态下保持性能稳定，并可检测压力、温度、振动等多种触觉刺激的材料。为实现这类传感器的自供能，通常引入摩擦电体系。
可拉伸性、导电性、自修复能力、环境稳定性和耐用性的结合，使导电凝胶成为结合类皮肤传感与摩擦电能量收集的多功能材料平台。这些特性极大地推动了其在可穿戴和自供能电子系统中的应用，在这些系统中，机械舒适性和功能集成性与电学性能同等重要。
基于导电凝胶的类皮肤摩擦电传感器性能
可拉伸导电凝胶基摩擦电传感器已被设计出具备多样化的机械性能、自修复特性及光学/多功能特性，使其能够适应类皮肤、可变形及动态的工作环境。在网络结构设计、动态键合与复合结构构建等方面的进展，为实现高拉伸性、耐损伤性和功能稳健性提供了有效途径。与此同时，光学与刺激响应元件的引入拓展了其功能维度，例如可视化传感、光热调控和光响应信号转换等。这些材料与结构层面的协同发展，将凝胶基摩擦电纳米发电机的角色从单纯的机械能量收集拓展至集成传感、可视化与人机交互的多功能可穿戴平台。这些性能层面的考量，为后续讨论的耐久性优化与应用导向设计奠定了基础。
实现高可拉伸导电凝胶的策略
凝胶基摩擦电传感器的自修复性能
凝胶基摩擦电传感器的长期稳定性
研究人员总结了在多种环境与机械应力下（包括高低温、循环形变、干燥及高湿环境）提升凝胶基摩擦电传感器长期稳定性方面的最新进展。当前策略主要依赖溶剂工程（例如离子液体、有机溶剂和深共晶体系）、界面微结构调控及器件封装来抑制性能衰减。尽管取得了这些进展，但多数报道的方法仅针对特定稳定性问题，而未能实现抵御多种复合应力的综合鲁棒性。此外，离子电导率、机械顺应性和环境耐受性之间常存在权衡关系。标准化测试流程的缺失进一步增加了不同系统间直接比较的复杂性。这些观察表明，实现兼具广泛稳定性的凝胶基摩擦电纳米发电机仍是一项重大挑战。
凝胶基摩擦电纳米发电机的湿度稳定性能
导电凝胶基摩擦电器件构型
导电凝胶基摩擦电器件已从传统的平面薄膜结构逐步演进至一维纤维状发电机，并进一步发展为织物集成系统，这一结构演变清晰体现了向高贴合性、高透气性及系统级可穿戴性发展的明确趋势。薄膜型摩擦电纳米发电机在基础研究与多功能集成方面仍具优势；而凝胶基纤维与织物器件，则展现出更优的机械顺应性、可扩展接触面积，以及与大面积及全身可穿戴平台更高的兼容性。
与此同时，从薄膜向纤维、织物形态的转变也带来了新的挑战，主要涉及凝胶的可纺性、结构均匀性、界面稳固性以及器件集成一致性。现有报道虽已证实这些构型的可行性，但多数实例仍停留在概念验证阶段。需要进一步在材料设计、纤维加工策略及织物级集成方面开展系统性研究，以建立可靠、可重复且以应用为导向的凝胶基摩擦电器件结构。
凝胶基摩擦电纳米发电机的器件构型
凝胶基摩擦电传感器的应用
近期研究表明，可拉伸导电凝胶基摩擦电纳米发电机已实现多样化的应用场景，涵盖生物医学运动监测、触觉感知、人机交互以及新兴的互动式治疗系统。在这些应用中，柔性凝胶电极、弹性摩擦电层与简化的单电极结构的结合，构成了通用的材料与器件基础，确保了共形皮肤接触、机械顺应性以及形变下的稳定信号生成。虽然其电输出通常低于刚性电极，但凝胶基摩擦电纳米发电机在低功耗可穿戴传感与交互任务中，始终展现出足够的灵敏度、鲁棒性和功能适应性。这些应用实例充分体现了导电凝胶基摩擦电器件作为类皮肤电子系统多功能构建模块的实际应用价值。
类皮肤摩擦电纳米发电机的典型应用
总结与展望
本综述全面且系统地概述了可拉伸导电凝胶基摩擦电纳米发电机在类皮肤传感器应用中的研究进展，内容涵盖材料设计、关键性能指标、器件结构及典型应用场景。研究人员对不同类型的导电凝胶（包括水凝胶、有机凝胶、离子凝胶以及低共熔凝胶等新兴凝胶体系）进行了系统梳理，并从组成、交联策略、导电性能及机械特性等方面进行了对比分析。着重强调了导电凝胶作为可拉伸电极，在桥接类皮肤机械顺应性与摩擦电信号转换中的关键作用。此外，文中还重点讨论了凝胶基类皮肤摩擦电传感器的核心性能，包括可拉伸性、自修复能力、环境耐受性、电学稳定性及光学功能，并结合典型的薄膜、纤维及织物基器件结构进行了评述。这些研究进展表明，可拉伸导电凝胶是构建下一代可实现连续机械信号转换的类皮肤摩擦电传感系统的理想材料基础。
尽管已取得显著进展，但可拉伸导电凝胶基类皮肤摩擦电纳米发电机在真正实现广泛实际应用之前，仍需解决若干关键挑战：（1）拓展凝胶材料的多样性与多功能性；（2）提升器件耐用性、界面可靠性与输出性能；（3）生命周期终结的可持续性与可回收性；（4）可扩展性与系统级集成。
展望未来，随着导电凝胶化学、界面工程与器件架构的持续发展，有望进一步推动可拉伸导电凝胶基摩擦电纳米发电机成为动态机械信号转换的通用材料与器件平台，助力下一代类皮肤电子系统的发展。
论文链接：https://doi.org/10.3390/gels12020151
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