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  智能可穿戴電子產品的蓬勃發展正在迅速改變人們的生活方式，而下一代可穿戴電子產品對傳感器的精確性、安全性和電源依賴性等提出了更高的要求。其中，水凝膠離子二極管（Hydrogel ionic diode）憑借其優異的柔性、自供電特性和應力響應性成為極具潛力的候選材料之一，受到研究人員的廣泛關注。然而，現有的水凝膠離子二極管傳感器一般由兩層帶相反電荷的水凝膠組成，這種雙層凝膠的高界面電阻和單一異質結結構導致器件力-電轉換能力和靈敏度較低，難以滿足仿生假肢、人機交互等領域的高靈敏傳感需求。因此，解決水凝膠離子二極管在自供電傳感中的界面問題，對促進高靈敏自供電傳感技術發展具有重要意義，也極具挑戰性。

  近期，武漢大學化學與分子科學學院常春雨教授和中國科學院寧波材料所海洋關鍵材料全國重點實驗室陳濤研究員、魏俊杰副研究員，提出了一種通過直流電場誘導陰離子電荷單體和陽離子電荷單體發生差異化定向遷移、聚集，從而制備一體化雙梯度水凝膠離子二極管的通用方法（圖1）。該方法制備的水凝膠離子二極管具備一體化結構，且水凝膠中固定電荷呈現雙梯度分布，有效解決了傳統雙層結構的界面問題，使傳感器靈敏度顯著提升至1247.3 mV/MPa，并實現0.8 Pa的超低檢測限。此外，將這種雙梯度水凝膠離子二極管應用于仿生假肢，可極大提高仿生假肢的觸覺感知能力和對假肢系統的控制精度，實現對豆腐等超軟物體的無損抓取。相關成果以“Electric Field‐Induced Dual‐Gradient Heterojunction Diodes Toward Ultrasensitive Self‐Powered Ionic Skin”為題，發表在Advanced Materials上 (Adv. Mater. 2025, 2500949. DOI：10.1002/adma.202500949)。

圖1.電場誘導的制備方法與在智能假肢手上離子皮膚的應用。

  通過掃描電子顯微鏡（SEM）對水凝膠離子二極管的雙梯度結構進行了表征（圖2）。陰極側和陽極側附近的水凝膠網絡的平均孔徑明顯大于中間區域，這是因為陰極側附近的分子鏈上固定了更多的陽離子（?NH₃⁺）基團，陽極側固定了更多的陰離子（?SO₃^-）基團，在靜電排斥作用導致了更高的溶脹率。在此基礎上，通過3D拉曼光譜技術直觀地表征了水凝膠離子二極管中的特征基團分布，進一步驗證了雙梯度結構。

圖2.水凝膠離子二極管雙梯度結構的表征。

  雙梯度水凝膠離子二極管傳感器具有實時檢測能力，響應時間僅為0.14秒（圖3）。相同條件下，靈敏度顯著大于均質結構和雙層結構的水凝膠離子二極管。在0.02 Hz的頻率下，經過2000次加載-卸載循環后，仍能穩定輸出電壓信號。將靈敏度、響應時間、檢測下限、能量密度、工作頻率等參數與已報道的水凝膠離子二極管相比，均顯示出明顯的優勢。

圖3.雙梯度水凝膠離子二極管傳感性能的表征。

  為了探索雙梯度水凝膠離子二極管的傳感增強機理，該工作從界面電阻和電荷分布兩個方面進行了研究（圖4）。交流阻抗測試結果表明了雙梯度結構相比于傳統的雙層結構具有更低的界面電阻。此外，與雙層水凝膠離子二極管不同，一體化的雙梯度水凝膠離子二極管在聚陰離子層和聚陽離子層之間沒有明確的界面，而是在梯度互穿電荷網絡上形成了大量微異質結，從而具有更寬的響應區域。因此，當受到10 kPa的壓力時，雙梯度水凝膠離子二極管的開路電壓從10.2 mV增加到42.3 mV，增量值約為雙層水凝膠離子二極管的5倍。

  通過建立一個5×5像素的傳感器陣列，該工作探索了雙梯度水凝膠離子二極管在壓力傳感和成像中的應用。在傳感器陣列上放置不同字母，通過測量傳感器的開路電壓變化，生成了相應的壓力峰值映射（圖5）。此外，通過將雙梯度水凝膠離子二極管傳感器粘附到手套表面，構建了一種用于感知物體的智能手套。當用智能手套拿瓶子時，每個手指關節都顯示出不同的電壓信號分布，對應施加在每個關節上的壓力。

圖4.雙梯度水凝膠離子二極管的傳感機理。

圖5.雙梯度水凝膠離子二極管在陣列傳感方面的應用。

  此外，得益于雙梯度水凝膠離子二極管傳感器的超高靈敏度，它可以用作智能假肢的“皮膚”，構建一個精確的假肢控制系統。傳感器的電壓信號隨壓力變化，由數據采集單元實時捕獲后，經嵌入式算法模型判斷分析，最終傳輸至假肢控制部件執行動作（圖6）。該智能假肢能夠無損抓取柔軟物體（如豆腐、泡芙等），并能安全有效地與日常生活中的常見物體進行交互。該研究報道的自供電雙梯度水凝膠離子二極管傳感器具有超高靈敏度和超低檢測下限，能夠幫助假肢實現穩定的物體抓握，同時最大限度地減少抓握力，以避免物體的變形與破壞，對假肢的精確操作至關重要。

圖6.用于智能假肢手的超靈敏離子皮膚實現與日常生活物品的互動。

  總結：研究者們采用電場誘導構建一體化雙梯度水凝膠離子二極管的方法得到了超靈敏的自供電壓力傳感器。研究證明，雙梯度水凝膠離子二極管優異的傳感性能源于其內部形成的眾多微異質結結構和低界面電阻，同時檢測限比現有水凝膠離子二極管低一個數量級。此外，所開發的雙梯度水凝膠離子二極管傳感器能夠顯著提高仿生假肢的觸覺感知能力和對假肢系統的控制精度，能夠無損抓取生活中的日常物品。該工作為研發適用于仿生假肢、軟體機器人和人機交互的新型自供電柔性傳感器提供了新思路。

  文章第一作者是武漢大學化學與分子科學學院博士生/寧波材料所課題生林杰涵，通訊作者為常春雨教授、陳濤研究員、魏俊杰副研究員。本研究得到了中國科學院先導專項（No.XDB1210401）、寧波市重點研發計劃（2023Z089）、浙江省自然科學基金（LD22E050008）和國家自然科學基金（52073217）的支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202500949