柔性传感器是可穿戴电子设备与电子皮肤的核心。如何在单一器件中同时实现压力、温度、应变等多种物理刺激的高灵敏、快速响应与信号互不干扰的检测，长期以来是领域难题。湖南大学化学化工学院刘松教授课题组联合中南大学湘雅附二医院刘傥教授，开发了一种聚丙烯酰胺/聚乙烯醇/甘油/氯化钙（PAM/PVA/Gly/CaCl₂，PPGC）双网络离子有机水凝胶，并通过多层堆叠结构将电容式压力传感与电阻式温度/应变传感在物理上彻底分离，从硬件层面实现了压力-温度的本征信号解耦。该器件在低压区灵敏度高达 9426 kPa^-1，响应/恢复时间仅 20 ms；温度在 20-100 ℃ 范围内线性响应，电阻温度系数为-0.269 ℃^-1。基于此，团队演示了五通道手势识别、实时呼吸监测以及 4×4 阵列压力-温度空间同步成像，为下一代可穿戴健康监测与人机交互提供了全新平台。

  2026年10月8日，该工作以“Ultra-Sensitive, Decoupled Multimodal Sensing via Dual-Network Iontronic Organohydrogels”为题发表在Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.78940）。湖南大学化学化工学院的周安琪博士是该文章的第一作者，湖南大学刘松教授为论文的通讯作者。该研究得到国家重点研发计划项目的支持。

一、研究背景：让柔性传感器真正“读懂”皮肤

  随着人工智能与 5G 技术的快速发展，智能可穿戴设备正在医疗健康、运动监测、仿生电子皮肤、软体机器人等领域加速落地。柔性传感器作为这些设备的“感觉器官”，其性能直接决定了可穿戴系统的感知上限。与传统刚性传感器相比，柔性传感器具备优异的皮肤贴合性、可拉伸性与形变适应性，因而被寄予厚望。

  人体皮肤能够同时、选择性地感知压力、温度、应变、湿度等多种外界刺激。然而，要在一枚小小的柔性器件上复刻这种“多模态感知”能力却困难重重：单网络水凝胶往往力学强度不足；以纯水为分散介质的水凝胶在干燥环境中极易失水；多数水凝胶缺乏自修复能力；更棘手的是，当压力、温度等多种刺激同时作用时，同一传感机制下输出的信号相互耦合，难以准确区分与解耦。

图1.PPGC 双网络有机水凝胶的制备流程与多模态柔性传感器的堆叠结构示意图

二、材料设计：双网络+甘油+氢键，打造“高机械性能、耐干、能自愈”的离子水凝胶

  研究团队设计了一种化学-物理双交联网络结构：以化学交联的聚丙烯酰胺（PAM）为刚性骨架提供结构支撑，以冻融物理交联的聚乙烯醇（PVA）网络通过可逆氢键耗散能量，二者协同显著提升了水凝胶的力学性能。

  为解决传统水凝胶易失水的痛点，团队引入高沸点有机溶剂甘油（Gly）与水组成混合分散体系。甘油分子富含羟基，可与水分子及聚合物链形成致密氢键网络，既降低自由水比例，又降低水的饱和蒸气压，同时提高体系黏度。

  此外，PVA链与甘油分子上的大量羟基与 PAM 基体形成高密度分子间氢键网络，赋予水凝胶良好的自修复能力。定量测试显示，修复 4 天后PPGC 有机水凝胶的力学强度恢复率约 25%，远高于未改性 PAM 水凝胶。将水凝胶串入红色 LED 电路中，切割后重新对接即可重新点亮 LED，直观展示了其在自修复电子皮肤中的应用潜力。

图2.PPGC 有机水凝胶的力学性能、抗干燥性能与自修复行为表征

三、器件创新：堆叠结构+力聚焦窗口，从硬件层面实现信号解耦

  为破解多模态信号耦合难题，团队提出了“物理分离+异构传感机制”的双重解耦策略。器件采用多层堆叠结构：上层为 PPGC 水凝胶，两侧插入铜丝构成电阻回路，负责温度与应变信号的读取；下层为带方形窗口的 PDMS 间隔层与叉指电极，与水凝胶共同构成电容回路，负责压力信号的读取。电容与电阻两个回路在物理上完全独立，从根本上避免了信号串扰。

  在压力传感机制上，器件利用水凝胶-电极界面双电层（EDL）电容随接触面积变化的原理工作。团队还精心设计了两个关键结构参数：一是 PDMS 间隔层上的窗口使空载时水凝胶与电极完全脱离，将初始电容 C? 降到极低，从而放大相对电容变化 ΔC/C?；二是窗口上方面积更小的 PDMS 块起到“力聚焦”作用，即便极微弱的压力也能在窗口区域产生可检测的形变。

  得益于上述设计，电容式压力传感器在低于 1 kPa 的低压区间灵敏度高达 9426 kPa^-1，1-8 kPa 区间为 2057 kPa^-1，8-35 kPa 区间为 412 kPa^-1；响应与恢复时间均约 20 ms，快于人体皮肤的触觉响应速度（30-50 ms）；检测极限低至 58 Pa；经过 1200 次压缩-释放循环后信号几乎无衰减。

图3.压力传感器的传感机理、灵敏度、响应时间、检测极限与循环稳定性

  电阻式温度传感器则利用离子迁移速率的温度依赖性：温度升高时，Ca²⁺、Cl^- 离子热运动加剧，迁移速率加快，宏观电阻下降。测试表明，器件在 20-100 ℃ 范围内呈现优异的线性响应，电阻温度系数（TCR）为 -0.269 ℃^-1，相关系数高达 0.999，升降温曲线几乎重合，可逆性良好。应变传感与温度传感共用同一电阻回路，通过电阻变化方向与响应时间的差异即可区分二者，进一步简化了器件架构。

  交叉解耦实验结果显示：在 0、2、6 kPa 压力下将器件从 20 ℃ 加热到 60 ℃，电容信号几乎不变；反之，在 20、50、70、85 ℃ 下施加 1-50 kPa 梯度压力，电阻输出也基本恒定。这意味着压力与温度信号在相当宽的范围内互不干扰，无需依赖复杂的机器学习算法即可直接解耦。

图4.温度传感器的传感机理、传感范围、循环稳定性与压力-温度交叉解耦验证

  应变传感与温度传感共用同一电阻读取回路，器件架构因此得以进一步精简。其物理机制源于水凝胶拉伸时的几何形变：当 PPGC水凝胶被拉长，长度增加、截面积减小，离子的迁移路径变长、有效导电通道变窄，宏观电阻随之上升。由于这一机制纯粹基于几何形变，电阻变化与应变之间具有直接、线性且可靠的对应关系。双网络结构赋予水凝胶高弹性与大伸长率，均匀网络保证了响应线性度，优异的回弹性与抗疲劳性则确保了反复拉伸下导电通路的稳定恢复。值得一提的是，应变与温度虽然共用同一电阻回路，但二者电阻变化方向相反、响应时间尺度差异显著，可据此方便区分。

图5. 应变传感器的工作机制、灵敏度、响应时间与循环稳定性

四、应用展示：从手势识别到呼吸监测

  基于优异的综合性能，团队演示了一系列贴近真实场景的应用：其一，将五通道传感器阵列贴附于五指近端指间关节，可实时识别“你好”、“OK”、“点赞”、“胜利”等八种手势，每个通道独立响应、互不干扰，在假肢控制、远程操作与触觉反馈领域具有广阔前景。

  其二，将温度传感器集成于口罩内侧鼻孔下方，通过呼吸过程中呼出气与吸入气的周期性温度变化监测呼吸模式。实验清晰区分了憋气 20 s、正常呼吸（约 20 次/分钟）与深呼吸三种状态，信号形态与呼吸生理过程高度吻合。由于睡眠呼吸暂停通常以呼吸停止超过 10 s 为判定标准，该器件为睡眠呼吸暂停综合征的家庭无创筛查提供了一条简便可行的新路径。

  其三，团队构建了 4×4 传感器阵列，每个单元同时输出压力（电容）与温度（电阻）信号。当室温重物置于阵列中心时，仅中心四单元产生电容响应；当装有 60 ℃、70 ℃ 热水的烧杯依次置于阵列不同位置时，对应区域的电容与电阻信号同步变化，成功实现了压力-温度双模态信息的空间同步成像，模拟了人体皮肤触觉与温度觉的融合感知。

图6.传感器的基础应用、五通道手势识别、体温监测与口罩呼吸监测应用展示

图7. 4×4 阵列压力-温度空间映射应用展示

五、总结与展望

  本工作开发了一种 PAM/PVA/Gly/CaCl₂ 双网络离子有机水凝胶，并通过堆叠结构将电容式压力传感与电阻式温度/应变传感在物理上彻底分离，实现了高灵敏、快速响应、宽测温范围且信号原生解耦的柔性多模态传感。

  该策略不仅获得了 9426 kPa^-1 的超高压力灵敏度与 20 ms 的超快响应，更重要的是为柔性传感器领域长期存在的“多刺激信号耦合”难题提供了一条简洁、可推广的硬件解决思路：“力聚焦窗口”设计可迁移至其他离子导电材料以提升压力灵敏度；电容/电阻读取通道的物理分离则为抑制软传感器中的信号串扰提供了通用蓝图。

  未来，团队将进一步推进系统级集成，包括多路阵列读出、无线数据传输与能量自供能，推动这一材料平台真正走向可穿戴健康监测与智能人机交互的实际应用。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.78940