由于自主运动与实时传感功能在均质材料中难以兼容，集成这两大功能的软体机器人开发仍面临挑战。受自然界共生系统启发，郑州大学米皓阳教授与湖南工业大学经鑫教授团队通过磁场诱导组装策略开发了一种纳米复合导电水凝胶，该策略利用Fe₃O₄@MXene在水凝胶网络中形成梯度分布，从而实现了磁驱动与应变传感能力的协同。所制备的水凝胶展现出多重特性：良好导电性（2.6 mS/cm）、高应变灵敏度（GF=6）、宽应变响应范围（0–580%）和优异抗疲劳性（500圈），同时具备30° /s的快速磁驱动速度。该研究的核心突破在于驱动与传感在单一材料中协同工作，使其能够执行程序化形变的同时实时监测自身运动状态，这一特性通过仿生应用得到展示，如抓取器能在感知物体后调整抓力，爬行器可实时追踪自身运动轨迹。本研究为构建具有内在反馈机制的智能软物质提供了新范式，为自适应软体机器人、生物医学及人机交互领域开辟了新途径。

  2025年11月26日，相关工作以Gradient-Structured Hydrogel with Integrated Actuation and Strain Sensing for Biomimetic Robotics为题发表在Advanced Functional Materials上。

图1. (a) S_1:2M₂水凝胶与Fe₃O₄@MXene的制备示意图；(b) 受鸟类捕食启发的四爪磁控操纵器；(c) 仿捕蝇草水凝胶驱动器的捕获行为。

  力学与结构表征结果表明：与纯PNIPAM水凝胶（拉伸强度40 kPa，断裂伸长率160%）相比，引入AA/AM后材料性能显著提升（拉伸强度110 kPa，断裂伸长率580%），验证了其增强作用。红外光谱中N-H峰由3317 cm^-1移至3314 cm^-1，证实Fe₃O₄@MXene与聚合物基质存在强相互作用。XRD图谱显示磁场诱导使Fe₃O₄@MXene的（002）峰位偏移，且随浓度增加层间距从2.72 nm减小至2.57 nm，表明纳米片发生有序排列。EDS元素分布图证明Fe₃O₄在MXene表面均匀分布并形成异质结。SEM图像进一步揭示，传统水凝胶具有均质多孔结构，而S_1:2M₂水凝胶沿厚度方向孔径呈连续梯度变化，且朝向磁场方向孔径逐渐减小，该结构与Fe₃O₄@MXene的空间重排相关。

图2. （a）PNIPAM、P(NIPAM-co-AM)及P(NIPAM-co-AA-co-AM)水凝胶的应力-应变曲线；（b）P(NIPAM-co-AA-co-AM)水凝胶及与其Fe₃O₄@MXene复合后的红外光谱；（c）S_n:2M₂、S_1:2M₁与S_1:2M₂水凝胶的一维广角X射线衍射图谱；（d）Fe₃O₄@MXene的EDS元素分布图；（e）S_n:2M₂与(f) S_1:2M₂水凝胶横截面的低倍与高倍SEM对比图。

  在拉伸过程中，梯度水凝胶中的Fe₃O₄@MXene在磁场与力场共同作用下发生分布变化，为导电与应变传感的双重响应提供了结构基础。磁场诱导可有效调控应变灵敏度，其GF值随Fe₃O₄含量增加呈先升后降趋势，并与材料在磁场方向上的积累相关；仅含Fe₃O₄的水凝胶灵敏度较差，表明MXene对提升传感性能具有关键作用。S_1:2M₂水凝胶表现出最优电导率与应变响应，说明纳米复合材料组成的重要性。等效电路模型进一步揭示，磁场对齐后的结构（R_n）具有最低电阻，优于无序（R_k）与高浓度堆叠状态（R_m），说明Fe₃O₄通过促进磁取向与降低界面电阻，有效增强了电荷传输效率。

图3. （a）梯度水凝胶拉伸时内部Fe₃O₄@MXene纳米颗粒构型演变示意图；不同组分水凝胶的（b-d）应变灵敏度及（e-g）电导率；（h-j）不同状态（无磁场、非堆叠、紧密堆叠）下Fe₃O₄@MXene与聚合物链的构型与等效电路模型

  S_1:2M₂在0-450%应变范围内呈现三个线性响应区间，应变系数（GF）分别为2.91、4.25和6.00，拟合优度接近1，展现出精准的应变检测能力。在循环阶梯拉伸及不同速率（10-200 mm/min）与大、小应变范围（1-6%至10-100%）测试中，其电阻响应快速稳定、重复性高，作为腕部可穿戴传感器时响应时间仅70 ms，适用于实时生物应变监测。温度传感方面，在低温区（0-31℃）与高温区（31-45℃）的电阻温度系数（TCR）分别为-2.80%/℃和-0.54%/℃，适用于生理温度监测。红外热成像直观证实其热敏感性，且在20%应变下经500次循环后信号仍保持稳定，耐久性优异。综合来看，S_1:2M₂在检测限、响应速度及温度响应方面均优于多数同类系统。

图4. S_1:2M₂的传感性能(a) 在0-450%应变范围内的相对电阻变化（ΔR/R₀）及对应的灵敏度（GF），(b) S_1:2M₂在应变（0-100%）下的ΔR/R₀响应；(c) 手腕弯曲时应变传感器的响应时间；ΔR/R₀在(d) 1%-6%，(e) 10%-100%的应变，(f)10-200 mm/min 的不同速率下的变化；(g) 在20°C 至80°C 的温度范围内，相对电阻的变化及其对应的温度系数（TCR）；（h）S_1:2M₂与先进水凝胶系统在多功能能力上的对比；（i）S_1:2M₂与其他类似水凝胶基传感器在响应时间上的对比分析；（j-l）S_1:2M₂在 20℃、35℃、80℃下的红外热成像图像；（m）应变传感器在 20%应变下连续500个周期的ΔR/R₀变化

  S_1:2M₂水凝胶在人体运动与生理信号监测中表现出优异性能：它不仅能灵敏检测皱眉、微笑等细微面部表情，还能准确识别15°至90°不同手指弯曲角度，并在固定角度下保持信号稳定；同时可有效监测肘、膝、腕等关节的大幅度运动，电阻变化与实际动作状态高度吻合。在与商用水凝胶电极的对比中，S_1:2M₂在脉搏与心电图处采集的波形与商用产品几乎一致，展现出作为健康监测电极材料的应用潜力。

图5. 基于S_1:2M₂的应变传感器在监测人体运动方面的性能表现。传感器对于(a) 皱眉和(b) 微笑等微小应变的相对电阻变化。(c)使用该应变传感器感知食指以不同角度（15°、30°、60°和 90°）弯曲的信号。大应变下(d) 手肘弯曲、(e)膝盖弯曲和(f)手腕弯曲的相对电阻变化；（g）商用水凝胶电极与S_1:2M₂水凝胶电极的对比；（h）脉搏信号采集的传感器放置位置；（i）心电图信号采集的传感器放置位置；商用水凝胶电极在(j)脉搏和(m)心脏处的ECG信号；S_1:2M₂水凝胶电极在(k)脉搏和(m)心脏处的ECG信号

  在磁驱动下，四爪操纵器可模仿鸟类捕食精准抓取物体；仿生捕蝇草在靠近目标时快速向上弯曲并完成捕捉，同步监测到的电流变化证实了驱动与自传感在单一结构中的同步实现。S_1:2M₂可在水中通过外部磁场控制实现定向游动，垂直放置时最大驱动角度达34°，响应速度为34°/s，且电阻变化率与驱动角度显著正相关，体现了梯度结构与Fe₃O₄@MXene磁性能的协同增强效应。此外，通过温度触发实验，进一步验证其能将感知信号转化为驱动行为，实现了对高温物体的选择性捕捉。

图6. （a）四爪操纵器在磁驱动下抓取小物体，模仿鸟类捕食行为；（b）具有捕食能力的仿生捕蝇草；（c）S_1:2M₂水凝胶在水中磁驱动作用下游动

  电化学阻抗谱与电导率测试表明，随着磁场强度从825 mT减弱至113 mT，水凝胶的电导率相应降低。SEM形貌分析进一步显示，磁场强度越低，内部梯度结构越不明显。性能上，强磁场下制备的水凝胶在水中游动和物体抓取中表现更优；同时，驱动角度随磁铁数量增加而增大，证实了强磁场形成的清晰梯度结构对提升导电性与驱动性能具有关键作用。

图7. （a）单块磁铁形成的磁场示意图；（b）两块磁铁形成的磁场示意图；（c）不同磁场强度下S_1:2M₂的EIS图谱；（d）不同磁场强度下 S_1:2M₂的电导率；（e-h）分别为 825 mT、553 mT、200 mT、113 mT磁场强度下 S_1:2M₂的形貌结构；（i）S_1:2M₂在水中的游动状态；（j）水凝胶抓手的状态；（k）不同磁场条件下磁场诱导的S_1:2M₂水凝胶驱动角度变化

  总结：本研究提出了一种磁场诱导组装策略，通过在温敏性共聚物网络中构建Fe₃O₄@MXene纳米材料的梯度分布，突破了传统均质水凝胶难以协同实现驱动与传感的局限。该材料在单一结构中整合磁驱动与实时自感知功能，形成了“感知-驱动”一体化闭环。Fe₃O₄与MXene的协同作用赋予水凝胶高导电性、磁响应性与力学强度，实现了宽应变范围的高灵敏度监测与快速磁驱动。该水凝胶在仿生抓手、可穿戴传感及生理信号检测等方面展现出广泛应用潜力，为智能软材料与软机器人的发展提供了新范式。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202524820