近年来，人工智能、大数据及扩展现实技术的快速发展，正推动人机交互（HMI）向全域沉浸式场景演进。水凝胶材料具有类生物组织特性、高生物相容性及刺激响应性，成为柔性HMI界面的理想载体。传统多功能水凝胶传感器面临两大挑战：长期使用易因脱水失效，且功能化改造常以牺牲可回收性为代价，加剧了电子废弃物污染。因此，开发兼具高精度感知、环境稳定性及全生命周期可循环的生态友好型水凝胶传感器，对构建碳中和目标下的可持续HMI技术体系具有关键意义。

  近日，郑州大学申长雨院士、刘春太教授团队与北京航空航天大学潘曹峰教授合作，成功研制出一种基于仿生学设计的全回收型多功能聚乙烯醇（PVA）基可逆物理交联智能水凝胶传感器（RMSHS）。该研究受自然界"复苏植物"极端环境适应机制的启发，通过引入可逆分子间作用力和动态共价键，实现了医疗康复与智能人机交互（HMI）领域的创新应用。

  如图1所示，RMSHS展现出优异的抗菌性能（对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制率达99.8%）和生物相容性，可直接作为柔性电子皮肤应用于康复训练场景。研究团队结合无线传输技术和Python编程，基于RMSHS实现了无人机的远程实时控制。体系的可回收设计使失效的水凝胶可通过简单步骤“复活”，可实现环保特性，可为智能穿戴设备领域提供可持续发展的范式。

图1. 可回收多功能水凝胶传感器的多场景人机交互应用

图2. 可回收多功能传感器的抗菌、生物相容性表征及机理

  如图2所示，研究团队研究了RMSHS的双重抗菌机制：基于氮掺杂碳量子点（N-CQDs）与季铵化壳聚糖（QCS）的静电富集效应，构建了"阳离子靶向-基因级联破坏"协同抑菌体系；RMSHS对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的协同杀菌率均超过99.8%，其抗菌机制源于QCS的阳离子结构与N-CQDs的基因破坏作用。体系可有效降低人体表皮细胞代谢产生的如汗液等废物在传感器处聚集导致的细菌滋生问题。此外，细胞实验证实，RMSHS对GES-1细胞无毒性，表现出优异的生物相容性。

图3. RMSHS的可回收性能及机制

  如图3所示，失效的RMSHS可通过干燥后加水加热再生的方式回收，实现类似苔藓类植物那样的“复活”效果。原位红外光谱（VT-FTIR）和二维相关光谱（2Dcos）分析表明，加热过程中氢键断裂，硼酸酯键形成，体系实现了分子间作用力的动态平衡。文章阐释了凝胶基传感器在回收过程中分子间作用力变化以及动态的转变顺序。

图4. 可回收多功能传感器的应变传感机理及其人体运动监测中的应用

  如图4，RMSHS具有低检测限（1%应变）、快速响应/恢复时间（160/200 ms）和优异的传感稳定性。其电阻变化与应变呈线性关系，且不受拉伸速度影响。自修复后的RMSHS仍能保持稳定的传感性能，可用于运动监测（如羽毛球挥拍动作分析）。RMSHS与机器人结合构建了智能康复系统，可实时监测患者手指弯曲角度，并通过Python算法识别不同手势。体系可为医生获取远程训练数据并提供诊断建议，减轻医疗负担（图5）。

图5. 基于可回收多功能传感器的智能康复系统的应用

图6. 可回收多功能传感器在远程操控中的应用

  得益于传感器优异的稳定性，借助单通道多阈值设定，RMSHS基于三通道系统实现了对三自由度无人机的控制。例如，食指弯曲控制无人机水平旋转，中指和无名指控制垂直升降。该系统可扩展至其他远程控制平台，为智慧城市建设提供支持（图6）。

  相关成果以“Eco-friendly Multifunctional Hydrogel Sensors Enabled Sustainable and Accurate Human-Machine Interaction System”为题发表在《Advanced Materials》上。郑州大学为第一作者单位，硕士研究生赵彦龙为论文第一作者，郑州大学翟威副教授、代坤教授和北京航空航天大学潘曹峰教授为共同通讯作者。

  全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202507127