一、綜述背景

柔性電子正從單功能器件向具備多模態(tài)感知、閉環(huán)操作能力的智能系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)電子材料因機械剛性、生物相容性差、界面適配性不足等問題，難以滿足與生物組織協(xié)同、多信號轉(zhuǎn)導、復雜環(huán)境穩(wěn)定工作的需求。多功能水凝膠憑借結(jié)構(gòu)可定制性、仿生相容性、動態(tài)響應性和優(yōu)異的界面性能，成為下一代柔性電子的核心平臺，其能有效橋接物理世界與數(shù)字世界，解決剛性電子與柔性生物組織的機械失配、信號轉(zhuǎn)導保真度低、長期穿戴/植入穩(wěn)定性差等關(guān)鍵問題。

當前水凝膠基柔性電子研究多局限于單一功能或平行分類，缺乏多模態(tài)協(xié)同與系統(tǒng)級集成的綜合分析，而人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展對水凝膠電子提出了更高要求——從被動單功能材料向兼具傳感、能量管理、決策能力的動態(tài)自適應平臺升級。在此背景下，本綜述通過跨尺度設計視角，系統(tǒng)梳理水凝膠電子的發(fā)展脈絡，填補材料創(chuàng)新與系統(tǒng)智能間的研究鴻溝，為其向智能生物集成系統(tǒng)發(fā)展提供理論與技術(shù)支撐。

二、綜述要點

本綜述以“材料-器件-系統(tǒng)”為核心框架，圍繞能量-信號雙耦合，從跨尺度設計、性能調(diào)控、應用落地、評價體系等方面全面闡述多功能水凝膠界面在柔性電子中的研究進展。

1. 水凝膠材料基礎與設計原則

    - 本征特性：水凝膠的高水合性、可調(diào)粘彈性和生化多功能性，使其楊氏模量、水含量可匹配人體從神經(jīng)組織（1~100 kPa）到骨骼（1~30 GPa）的各類組織，有效解決電子材料與生物組織的機械失配問題。

    - 材料選擇：天然聚合物（明膠、殼聚糖等）生物相容性優(yōu)異但機械強度低、批次差異大；合成聚合物（PAM、PVA等）性能可控、穩(wěn)定性高但生物仿生性不足，**雜化設計**成為兼顧兩者優(yōu)勢的關(guān)鍵策略。

    - 分子與化學設計：通過基團修飾、接枝共聚、表面功能化優(yōu)化水凝膠的水合性、離子導電性和生物粘附性；利用共價鍵（結(jié)構(gòu)剛性）、動態(tài)共價鍵（自修復）、非共價相互作用（刺激響應）的協(xié)同，實現(xiàn)水凝膠性能的精準調(diào)控。

2. 網(wǎng)絡設計、界面耦合與微納制造

    - 網(wǎng)絡架構(gòu)：單網(wǎng)絡、雙網(wǎng)絡、多網(wǎng)絡、拓撲網(wǎng)絡等8類交聯(lián)網(wǎng)絡設計，實現(xiàn)水凝膠機械韌性、動態(tài)響應性、導電性的協(xié)同提升，滿足不同應用場景的結(jié)構(gòu)需求。

    - 界面耦合：通過分子尺度的共價/非共價相互作用、結(jié)構(gòu)尺度的仿生微結(jié)構(gòu)（微柱、吸盤），解決水凝膠與生物組織/電子基底的動態(tài)粘附問題，降低界面應力集中與脫層風險。

    - 先進制造：增材制造（3D打印、直寫墨水）、微流控組裝、激光加工、靜電紡絲等技術(shù)，實現(xiàn)水凝膠從微納尺度到宏觀的精準結(jié)構(gòu)調(diào)控，推動實驗室原型向?qū)嵱没骷D(zhuǎn)化。

3. 水凝膠電子的多功能性調(diào)控與先進表征

    - 性能優(yōu)勢：與壓敏膠、醫(yī)用膠帶等傳統(tǒng)界面材料相比，水凝膠兼具軟硬度適配、離子導電、自修復、自粘附、透氣性等特性，是集粘附與傳感于一體的智能界面材料。

    - 性能需求：柔性電子對水凝膠提出機械順應性、高離子導電性、環(huán)境適應性、生物相容性、可持續(xù)性等核心要求，需平衡軟度與魯棒性、水合性與穩(wěn)定性等矛盾特性。

    - 智能優(yōu)化：AI驅(qū)動的逆向設計（GAN、CNN等算法）、數(shù)字孿生技術(shù)、原位表征技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)水凝膠從“經(jīng)驗試錯”向“模型驅(qū)動”的研發(fā)轉(zhuǎn)型，精準優(yōu)化材料性能與器件功能。

4. 閉環(huán)柔性電子中的水凝膠界面應用

    - 傳感機制：涵蓋電容、壓電、壓阻、摩擦電、熱電、電化學等11類傳感機制，可實現(xiàn)機械、熱、生化、磁、光等多模態(tài)信號的精準轉(zhuǎn)導，滿足健康監(jiān)測、人機交互等多元需求。

    - 全身體閉環(huán)醫(yī)療監(jiān)測：水凝膠界面已應用于神經(jīng)監(jiān)測、口腔診斷、心血管監(jiān)測、表皮電子、汗液代謝分析等全身體區(qū)，構(gòu)建分布式傳感網(wǎng)絡，實現(xiàn)從間歇性診斷到連續(xù)化、個性化健康監(jiān)測的轉(zhuǎn)型。

    - 臨床轉(zhuǎn)化挑戰(zhàn)：水凝膠-組織界面面臨材料降解、細菌定植、免疫反應、機械失配、流體干擾等8類核心問題，是制約其長期臨床應用的關(guān)鍵。

5. 性能評價與體系構(gòu)建

    提出能量-信號耦合系數(shù)（ESCC）無量綱評價參數(shù)，整合能量輸入、存儲、耗散與信號響應、轉(zhuǎn)導效率，建立水凝膠電子的綜合性能評價框架，突破傳統(tǒng)單一參數(shù)評價的局限性，為系統(tǒng)級優(yōu)化提供量化標準。

三、總結(jié)與展望

本綜述首次將水凝膠界面定義為涵蓋合成、加工、性能調(diào)控、多功能集成的跨尺度多物理系統(tǒng)，構(gòu)建了“材料-器件-系統(tǒng)”的核心研究框架，系統(tǒng)梳理了水凝膠在分子設計、網(wǎng)絡架構(gòu)、界面工程、先進制造等方面的最新進展，闡明了其在多模態(tài)傳感、全身體閉環(huán)醫(yī)療監(jiān)測、智能人機交互等柔性電子領(lǐng)域的獨特優(yōu)勢。

同時，本綜述指出當前水凝膠電子的核心挑戰(zhàn)：材料特性的矛盾平衡（軟度與魯棒性、水合性與環(huán)境穩(wěn)定性）、界面長期穩(wěn)定性（降解、免疫、細菌定植等）、制造規(guī)?；c一致性、系統(tǒng)級智能集成（AI與多組學/多模態(tài)傳感的融合）；并提出能量-信號耦合系數(shù)（ESCC）、綠色設計原則等創(chuàng)新評價與設計理念，為解決上述挑戰(zhàn)提供了量化與方向指導。

文獻鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202520644

往期推薦

仿生“毛毛蟲”與“蝴蝶”機器人，僅重50毫克！

多功能摩擦電電子皮膚最新突破！全印刷、可擴展、可拉伸

柔性電子皮膚再突破！超快速導汗！

柔性可穿戴頂刊速遞！仿生異質(zhì)氣凝膠纖維的液輸增強設計助力能量收集

清華張瑩瑩教授智能纖維最新突破！纖維基微電路

新年開篇AM！柔性熱電薄膜用于自供電健康監(jiān)測

柔性生物電子最新Nature子刊！可編程/可吸收電化學微針傳感器陣列用于健康監(jiān)測

視頻號：##柔性電子那些事