汪大洋团队系统阐述水凝胶力学增强策略与柔性电子应用

【摘要】

水凝胶作为富含水的软质聚合物网络，正从传统的生物医学辅助材料快速演变为柔性及生物集成电子器件的核心功能材料。然而，其实际应用长期受制于强度低、韧性不足、循环疲劳以及复杂环境下的不稳定性。本综述系统梳理了面向力学性能调控的设计策略，重点阐述了双网络架构、有序结构基元以及可逆物理相互作用调控三大增强路线，通过这些手段水凝胶已实现强度、MJ·m⁻³级韧性与长循环抗疲劳性能，可稳定服役于可拉伸传感器、水凝胶电解质、软致动器与封装系统。此外，本文还介绍了“智能水凝胶"的兴起——物理信息本构建模与数据驱动设计相融合，建立定量化的“结构–性能–功能"关系，有望获得兼具高水含量与持久力学鲁棒性的水凝胶体系，为下一代生物电子与软体机器人提供可持续、生物相容的平台。

【关键词】柔性电子器件；柔性传感器；水凝胶；力学增强；软致动器

1 引言

汪大洋团队在FlexMat期刊上发表了题目为“Electronic jelly: Engineering the mechanics of hydrogels for flexible electronics"的文章，该文章对面向柔性电子的水凝胶力学调控做出了综述。

电子器件支撑着现代生活的方方面面，然而随着技术从刚性静态架构向动态可穿戴、可植入形态过渡，传统硅基或金属基电子在共形贴附、可拉伸性与生物相容性方面暴露出固有局限。刚性器件与柔软生物组织之间的机械失配会引起佩戴不适、运动伪影和长期功能退化，从根本上限制了电子系统与生命系统的无缝集成。为此，柔性电子应运而生，它通过将电子器件组装在柔性、可拉伸或可折叠基底上，构建能够适应非平面形状的电路系统，已广泛应用于医疗健康、机器人、能源系统与人机交互等领域（图1）。

图1 柔性电子的代表性应用：（A）皮肤贴附式生理传感器实现连续健康监测；（B）可拉伸电子皮肤为安全人机交互提供触觉反馈；（C）人工神经元用于脑机接口；（D）共形储能器件（柔性电池与超级电容器）为可穿戴与植入系统供电

当前主流柔性基底与封装材料——如热塑性聚氨酯（TPU）、聚酰亚胺（PI）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）——凭借良好的可加工性推动了器件制造的发展，但与生物环境集成时普遍面临生物相容性差、透气性不足以及长期佩戴引发炎症或纤维囊化等风险。水凝胶——三维富水聚合物网络——以其组织样模量、高含水量和固有渗透性成为理想的候选材料，可在软组织界面实现紧密、低阻抗的耦合，其化学可调性还赋予抗污、粘附、可降解或可生物吸收等功能，有望将柔性器件从离体验证推向体内长期稳定运行。

图2 水凝胶的代表性生物医学应用：（A）组织样支架支持细胞生长与分化；（B）pH或近红外刺激下的药物控释；（C）水凝胶伤口敷料促进组织再生；（D）多肽基FHE水凝胶增强慢性伤口愈合与皮肤再生

尽管如此，机械脆弱性仍是制约水凝胶成为柔性电子耐用构件的关键瓶颈：传统水凝胶强度低、韧性有限、抗疲劳性差，且在温度或湿度下不稳定。在循环弯曲、拉伸和压缩载荷下，弱聚合物网络易产生应力集中并促使裂纹扩展，水合状态波动还会改变模量与离子通路，导致传感器和电解质信号漂移。本质上，力学鲁棒性是水凝胶从生物医学辅助材料转变为柔性电子系统结构性和功能性支柱所必须架设的桥梁（图3）。

图3 “力学鲁棒性作为桥梁"的概念：增强水凝胶的强度、韧性、抗疲劳性与环境稳定性，使其实现从生物医学辅助材料向柔性人机交互电子器件耐久构件的转变

2 水凝胶力学性能的调控方法

实现高水合状态下的力学鲁棒性长期受制于两个相互交织的困境：强度–韧性权衡与水含量–力学权衡。高交联或结晶网络强度刚度高但变形能力有限，易脆断；松散交联或无定形网络可拉伸性强但承载能力低。水兼具两面性：高含水量是生物相容性、离子传输、润滑与组织共形界面的前提，但同时稀释聚合物网络、削弱链间相互作用并加剧裂纹敏感性；降低含水量虽可提升网络密度和强度，却损害生物集成并抑制耗散动力学。此外，水合聚合物链间的氢键、疏水缔合与离子配对等非共价相互作用在水环境中动态形成与断裂，虽提供额外物理交联和时间依赖的耗能，却也使有效网络拓扑远比纯共价体系复杂，导致实验力学行为偏离经典弹性理论预测。

图4 增强水凝胶力学性能的设计策略：（A）水含量–强度–韧性权衡示意；（B）双网络设计：牺牲断裂与分布式耗能调和强度与可延展性；（C）引入相分离、结晶或复合增强等有序结构，组织多尺度承载域并抑制裂纹扩展；（D）调控氢键、疏水缔合、金属–配体配位等可逆物理与化学相互作用，实现动态耗能与自恢复

为在不牺牲水含量的前提下突破上述相互制约，近年研究发展了一系列从分子到介观尺度的设计策略，重新编程应力分布并在水合网络内构建耗能机制，形成三大设计家族：双网络（DN）架构将脆性承载网络与柔性可延展网络集成，前者牺牲断裂耗散能量而后者保持连续性；有序结构基元（相分离、结晶与复合增强）引入层级承载域以均化应力并有效止裂；可逆物理与化学相互作用调控（氢键、疏水缔合、静电配对、金属–配体配位）提供动态可恢复交联，充当分子级能量缓冲器。此外，网络拓扑工程（均匀网络、滑环结构）与力化学增强（力响应基元）也提供可编程耗能途径，但在柔性电子中的应用尚较有限。

2.1 双网络架构：协同耗能实现强度–韧性统一

双网络（DN）概念是同时提升水凝胶强度与韧性且不牺牲高水含量的路径之一。Gong等人作出开创性贡献：将高化学交联的聚（2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸）（PAMPS）刚性网络与松散交联的聚丙烯酰胺（PAM）柔性网络复合，所得DN水凝胶可承受17.2 MPa的压缩应力、拉伸至75%应变，断裂应力达0.68 MPa，远超单网络体系，克服了单网络体系固有的“强而脆对软而弱"困境。其机理为：刚性脆性主网络承担初始载荷并发生可控牺牲断裂以耗散能量，柔性可延展次级网络维持结构连续性并在主网络屈服后转移应力，通过损伤离域与载荷分担的协同作用，实现高模量、大延展性与优异抗疲劳性的统一（图5A）。

图5 双网络架构的协同耗能与载荷传递：（A）DN概念示意：刚性脆性主网络牺牲断裂耗能，柔性次级网络维持完整并再分配应力；（B）Zn²⁺–羧基配位与SO₄²⁻盐析增强的离子诱导DN；（C）疏水缔合DN以疏水微球为可逆交联点；（D）PAANa/PAH静电络合DN

结构上，DN可分为互穿网络（IPN，双网络均化学交联并相互缠绕）与半互穿网络（半IPN，交联支架包埋未交联线性或支化链）。制备遵循两步法（先形成脆性主网络，再渗入单体聚合生成柔性次级网络）或一锅法（单反应环境中同时构建双网络）。性能取决于三项关联原则：显著的模量对比以激活牺牲耗散、适度的网络间连接以确保有效载荷传递而不提前锁死分子运动、最小化链长异质或成环等结构缺陷以均化应力场并延缓裂纹萌生。

遵循上述设计原则，多种DN体系展现出优异性能。Fang等人以两步法构建丙烯酰化琼脂糖（AcAG）刚性主网络与PAM次级网络组成的化学交联IPN，拉伸强度约8 MPa、韧性约55 MJ·m⁻³，较常规水凝胶高两个数量级。离子诱导DN（图5B）中，Cui等人结合Zn²⁺–羧基配位与SO₄²⁻盐析致密化，制备断裂应力约15 MPa、断裂能约39 kJ·m⁻²的水凝胶，有效克服强度–韧性权衡并实现可靠运动传感。疏水缔合DN（图5C）以分散疏水微球为可逆缔合点，Kang等人在PVA/PAM基体中实现1000次变形循环后离子电导率保持率大于90%，同时兼具拉伸与压缩性能，成为耐久超级电容器电解质。静电络合DN（图5D）依赖相反电荷聚电解质（PAANa/PAH）的可逆离子配对，Yang等人获得约768%断裂应变、约0.86 MPa断裂应力、约2.25 MJ·m⁻³韧性及约0.3 S·m⁻¹电导率，适用于可穿戴运动传感。

在DN基础上，三网络（TN）与杂化多网络水凝胶进一步拓展力学性能：纯两性离子TN水凝胶协同致密交联第一网络、强静电第二网络与松散第三网络，在海水中实现18.2 MPa压缩断裂应力与1.62 MJ·m⁻³韧性；酶矿化聚丙烯酰胺水凝胶形成均匀无定形磷酸钙网络，杨氏模量高达440 MPa、断裂能1246 J·m⁻²，超越天然软骨。总体而言，DN的机理本质是脆性或瞬态牺牲网络定位并耗散损伤，与维持结构完整性和载荷传递的柔性连续支撑网络协同耦合，建立了水凝胶力学增强中最经实验验证、概念最稳健的框架之一。

2.2 有序结构架构：层级增强实现缺陷耐受

DN水凝胶的增强机制本质上依赖脆性主网络的牺牲损伤，一旦牺牲键断裂，应力便集中在断裂域周围，周围基体往往无法高效再分配载荷，使DN水凝胶具有缺陷不耐受性——微裂纹与异质性在重复变形下累积，加速力学疲劳直至失效；实际应用中即使微小划痕、微裂纹或意外冲击也会显著降低强度并缩短服役寿命。克服这种“强而脆"悖论需要从结构设计上固有地分散应力并缓解局部失效，而非仅依赖不可逆的牺牲耗散。将有序结构引入无定形水凝胶基体是一条有前景的路径：以受控层级组织替代随机链缠结，均化应力、实现分布式载荷传递并抑制裂纹萌生，同时保持高含水量与化学多样性（图6）。

图6 有序结构实现缺陷耐受型力学增强：（A）相分离水凝胶：聚合物富集相与富水相双连续域协同变形；（B）结晶增强水凝胶：取向PVA微晶或层级HA–PVA结晶作为承载锚点；（C）COF纳米限域聚合形成拓扑互锁网络；（D）芳纶纳米纤维复合水凝胶（拉伸强度约12.5 MPa、模量约218 MPa）

最基本的有序化源于热力学相分离，生成双连续的聚合物富集相与富水相：前者作为承载骨架，后者保持柔性与离子迁移能力。将亲水性聚丙烯酸（PAA）网络嵌入疏水性聚丙烯酸乙酯（PEA）基体，所得PEA–PAA相分离水凝胶呈现腱样力学行为（拉伸强度约6.9 MPa），异质域允许局部屈服与渐进能量释放，避免灾难性断裂。更稳定且更强效的有序化是结晶：经典冻融PVA水凝胶已受益于微晶增强，而定向结晶耦合盐析可形成层级各向异性排列的HA–PVA微晶，在保持水合的同时硬化网络，实现断裂应力约23.5 MPa、应变约2900%、韧性约210 MJ·m⁻³，较常规PVA凝胶高近一个数量级；取向结晶域分散应力并偏转裂纹，显著提升结构完整性与外部缺陷耐受性。

在结晶骨架之上，纳米尺度增强可进一步提升抗裂性并避免过度结晶。纳米粒子与纳米片并非充当刚性结晶域，而是作为有序耗散节点锚定链并借助界面滑移重定向裂纹路径。纳米限域聚合（NCP）将链生长限制在共价有机框架（COF）等周期性纳米通道内，产生应力场均匀的拓扑互锁网络：COF–PAM水凝胶断裂应变高达约17580%、韧性约87.7 MJ·m⁻³，展示纳米尺度有序如何带来宏观裂纹不敏感性。芳纶纳米纤维、超支化二氧化硅纳米粒子与二维MXene片构筑的复合体系亦形成连续载荷传递网络：芳纶纳米纤维将拉伸强度提升至约12.5 MPa、模量约218 MPa；二氧化硅纳米粒子抑制瞬态缠结，5000次循环后仍保持约1.3%的超低滞后；MXene片与PAA羧基形成氢键连接，实现约1080%应变与离子–电子双传导，适用于运动传感。

综上，结晶锚点定义承受载荷的一级结构有序，纳米填料与纳米限域域引入耗能与止裂的次级层级有序，二者协同有效化解DN体系的脆性问题，在不牺牲水合的前提下获得同时强韧且缺陷耐受的水凝胶。

2.3 动态物理相互作用：可逆耗能与自恢复

与有序结构强化互补，引入动态物理相互作用可使水凝胶可逆耗散机械能并在变形后恢复完整性。与累积不可逆损伤的共价网络不同，氢键、疏水缔合、离子配对与金属–配体配位等非共价基元充当动态牺牲键，在应力下解离吸收能量、卸载后重新形成，将脆性水凝胶转变为可自恢复、抗疲劳的材料，同时保持高水合与离子电导率（图7）。

图7 动态相互作用驱动的力学增强策略：（A）溶剂交换（DMSO→H₂O）重组氢键与微晶，形成性能增强的exogel；（B）SALT盐析–排列–锁定策略获得腱样明胶水凝胶；（C）Zr⁴⁺–羧基金属–配体配位提供强而可逆的交联；（D）木质素磺酸钠扩散诱导超分子自组装

溶剂介导调控是增强分子间内聚的直接手段：溶剂交换（如DMSO→H₂O）重组氢键与微晶，生成均质exogel，较常规冷冻凝胶显著提升断裂能与拉伸强度。离子强度调控可进一步放大该效应：盐析压缩聚合物–溶剂相互作用并使链堆积致密化；SALT策略（“盐析–排列–锁定"）在盐析过程中预拉伸网络使链取向后再结构固定，获得腱样力学性能（拉伸强度约10 MPa、韧性约9 MJ·m⁻³）。金属–配体配位引入强而可逆的承载交联点：Zr⁴⁺等多价离子与羧基形成配位络合物，兼具高刚度与动态再形成能力，PAA–Zr⁴⁺水凝胶模量约16 MPa、强度约12 MPa。超分子组装则通过层级氢键与疏水簇实现可规模化增强：木质素磺酸钠（LS）扩散进入PVA基体诱导自聚集形成超分子网络，强度约20 MPa、韧性约50 MJ·m⁻³，超越冻融PVA且保持工艺简便。

总体而言，动态相互作用技术建立了通过可逆耗散实现力学增强的通用框架：通过编程可调、可逆的物理交联，水凝胶的模量、强度与韧性可提升一至两个数量级，同时保持快速自恢复与水合状态；当与双网络或有序结构整合时，可放大多尺度载荷分担与抗疲劳能力，推动水凝胶成为柔性电子、软致动器与生物集成界面的耐久自适应材料。

2.4 强化策略小结

水凝胶力学增强已发展为多维设计学科，旨在化解水含量–力学权衡与强度–韧性悖论。三大路线各有侧重：DN架构确立协同耗能的基础范式，通过脆性牺牲框架断裂吸收应力、延展次级基体维持连续性；有序结构（相分离域、结晶锚点、纳米复合）施加层级组织以均化应力并增强缺陷耐受；动态物理相互作用（氢键、离子配对、疏水缔合、金属–配体配位）引入可逆耗散与自主恢复，赋予抗疲劳性与环境刺激响应性。更重要的是三者的协同整合定义了水凝胶增韧的下一个前沿：在DN基体中嵌入有序结晶或复合域可跨多个长度尺度分配应力，耦合力敏基元或可逆配位则同时提升耗能与自愈合能力，最终以强度、多MJ·m⁻³韧性与复杂载荷下的可靠循环稳定性，调和了高含水量与长期力学耐久性之间的矛盾。

3 增强水凝胶在柔性电子中的应用

力学增强已成为水凝胶从易碎实验室材料迈向可靠功能构件的决定性一步：结构可靠性不再是次要优化项，而是水凝胶在保持高水合的同时承受大幅、重复变形的必要前提。通过双网络设计、有序架构、可逆交联与力化学耦合等结构工程，水凝胶现已在现实机械载荷下具备作为耐久导体、传感器、电解质与致动器所需的强度、韧性与抗疲劳性能。其固有高含水量、多孔结构与组织样柔顺性带来的生物相容性、离子电导率与界面适应性，而正是力学增强将这类物理化学优势最终转化为功能性可靠。

3.1 力学增强水凝胶柔性传感器

柔性传感器将应变、压力、温度或生化刺激转换为电信号，是可穿戴与生物集成电子的感知基础。传统PI、PET、PDMS基底生物相容性差，与生物组织的刚柔失配导致不适、炎症与运动中信号不稳定。水凝胶凭借高含水量、组织样模量与固有离子电导率成为理想替代，其物理化学亲和性实现共形皮肤接触与低界面阻抗，分子可调性支持多模态传感。自2003年水凝胶即已应用于葡萄糖与pH检测，但原始水凝胶本质脆弱，易断裂、脱水与脱层，限制服役寿命；DN架构、有序微结构与动态物理交联等力学增强因此成为将软离子凝胶转化为强韧可靠传感材料的关键。

力学与功能的耦合在环境传感中体现得尤为明显：Ni等人构建含MXene纳米片与LiCl的PVA/PAM DN水凝胶，伸长率超过3000%，在70%–85%相对湿度区间湿度灵敏度达−103.4%/%RH，适用于呼吸与细微运动追踪（图8A）；Li等人开发PAM/羧甲基纤维素（CMC）–MXene@Au有机水凝胶，拉伸强度1.22 MPa、应变625%，在−80°C仍保持柔性，用于冷链监测中挥发性胺检测（图8B）；Ding等人制备含甘油的PAM–海藻酸钙（CA）DN有机水凝胶，兼具抗冻能力与307.17% ppm⁻¹的NO₂灵敏度（检出限2.86 ppb），可在零下温度变形工作（图8C）。

图8 力学增强水凝胶环境监测传感器：（A）含MXene与LiCl的PVA/PAM DN水凝胶，伸长率超3000%，湿度灵敏度−103.4%/%RH；（B）PAM/CMC–MXene@Au抗冻有机水凝胶（1.22 MPa、625%应变），−80°C下检测三甲胺；（C）含甘油的PAM–CA DN有机水凝胶，NO₂灵敏度307.17% ppm⁻¹、检出限2.86 ppb

力学导向设计在人体运动监测中同样关键：Geng等人制备CNF/MXene DN水凝胶纤维，强度3.33 MPa、伸长率1106%，取向MXene纳米片保证拉伸过程中的长程导电（图9A）；Xu等人构建物理交联BSA-MA-PPy/P(AM-co-AA)/Fe³⁺ DN水凝胶，应力5.36 MPa、韧性17.66 MJ·m⁻³，用于触觉传感（图9B）；PEG–MoS₂增强的甲基丙烯酰化明胶（GelMA）水凝胶将压缩强度从88.4 kPa提升至282.7 kPa，90秒内自愈合，支持多模态变形检测（图9C）；皮肤匹配的P(AM-AN-MA)/Fe³⁺水凝胶（模量0.06 MPa）可捕捉从吞咽到步态的复杂运动，石墨烯泡沫增强PAM水凝胶则经受住10000次循环变形而无机械或电学失效（图9D）。

图9 人体运动监测用增强水凝胶传感器：（A）CNF/MXene DN水凝胶纤维（3.33 MPa、1106%伸长率）；（B）BSA-MA-PPy/P(AM-co-AA)/Fe³⁺ DN水凝胶（5.36 MPa、17.66 MJ·m⁻³）；（C）PEG–MoS₂增强GelMA水凝胶（压缩强度282.7 kPa，90 s自愈合）；（D）P(AM-AN-MA)/Fe³⁺皮肤匹配水凝胶与石墨烯泡沫增强PAM水凝胶

综上，力学增强使水凝胶从柔顺网络转变为抗疲劳、功能自适应的传感材料：通过整合DN框架、纳米填料与物理相互作用调控，先进水凝胶实现最高约5 MPa的拉伸强度、3000%以上的伸长率、超过17 MJ·m⁻³的韧性，以及数千次循环的稳定信号保持，确立了水凝胶作为下一代柔性可靠自适应传感系统基石的地位。

3.2 力学增强的柔性储能器件

柔性储能系统要求材料在持续变形下同时维持高离子/电子电导率、机械完整性与运行安全。液体电解质、固态电解质与刚性聚合物隔膜等常规体系在应力下常出现泄漏、断裂、脱层或界面接触丧失，从根本上限制其在可变形可穿戴电子中的应用。水凝胶凭借固有含水量、阻燃性与共形柔顺性成为有吸引力的替代方案，其水相网络可容纳无机盐，将绝缘聚合物转变为离子导电介质；但原始水凝胶机械脆弱，易溶胀、脱水与温度不稳定，力学增强从根本克服这些局限，将水凝胶从易碎离子凝胶转变为结构强韧、电化学稳定的导体。

增强水凝胶电解质在压缩、弯曲与严苛热条件下维持离子传导。Lin等人开发Li₂SO₄处理的琼脂糖/PAM DN水凝胶，压缩强度150 kPa、伸长率2780%，使超级电容器在动态变形下保持电容（图10A）；Ji等人构建离子交联各向异性海藻酸盐水凝胶，拉伸强度达57 MPa、模量1290 MPa，支撑长期机械循环（图10B）；在锌离子电池中，Chen等人引入相分离PVA–PAM–PAN–ZnSO₄水凝胶，模量198.5 MPa、韧性274.3 MJ·m⁻³，有效抑制枝晶并维持800次弯曲循环性能（图10C）；各向异性CMC水凝胶（压缩模量103.2 MPa、强度4.96 MPa）促进均匀锌沉积，并在130 kg载荷下继续为柔性设备供电（图10D）。针对环境条件，Sun等人引入乙二醇与LiCl构建抗冻两性离子水凝胶，−30°C下保持弹性与电容，10000次循环后容量保持率超过59%。

图10 柔性储能用增强水凝胶电解质：（A）Li–AG/PAM DN水凝胶电解质（压缩强度150 kPa、伸长率2780%）；（B）各向异性离子交联海藻酸盐水凝胶（拉伸强度57 MPa、模量1290 MPa）；（C）相分离PVA–PAM–PAN–ZnSO₄水凝胶（模量198.5 MPa、韧性274.3 MJ·m⁻³）抑制枝晶；（D）各向异性CMC水凝胶电解质承受130 kg载荷

力学增强水凝胶电极同样展示弹性与界面完整性对大应变下电子传导的主导作用：Yu等人将2D/2D β-NiS/Ti₃C₂Tₓ异质结构嵌入PAA/壳聚糖（CS）水凝胶，形成双电子传输网络，保持566%可拉伸性的同时实现10.92 F·g⁻¹电容（图11A）；Chen等人以超长碳纳米管（CNT）增强PEDOT:PSS，构建互穿导电骨架，500次弯曲循环后仍保持电连续性（图11B）。器件层面，Li等人演示全聚两性离子水凝胶超级电容器，将增强电极与电解质集成于单一内聚基体，在−10°C至60°C区间承受600%拉伸与80%压缩应变，并同时在弯曲、扭转与拉伸下保持电容近乎恒定（图11C）。

图11 增强水凝胶电极与全水凝胶器件：（A）β-NiS/Ti₃C₂Tₓ-PAA/CS水凝胶电极（566%应变耐受、10.92 F·g⁻¹电容）；（B）PEDOT:PSS/CNT水凝胶电极（500次弯曲循环保持导电）；（C）全聚两性离子水凝胶超级电容器（600%拉伸、80%压缩应变，−10°C至60°C稳定）

这些进展确立了一条统一原则：机械完整性决定电化学可靠性。拉伸强度、模量与韧性支配电荷通路稳定性、枝晶抑制与循环寿命延展；通过从分子双网络到各向异性纳米复合的多尺度增强，水凝胶正从简单离子导体演变为结构一体化的高性能储能材料，为下一代可穿戴与生物集成电子提供安全、柔性、耐用的全水凝胶能源系统。

3.3 力学增强的柔性致动器与封装

除传感与储能外，水凝胶在致动器与封装领域展现出多功能性：其高含水量与多刺激响应性使弯曲、拉伸与复杂形状适应成为可能，而弹性体、陶瓷等传统致动材料难以企及。相较传统材料，水凝胶具有更优生物相容性、可调模量及对电、热、光、化学刺激的快速响应，是软体机器人、可穿戴电子与自适应防护系统的关键候选。然而原始水凝胶模量低、强度有限、抗疲劳性差，既限制致动输出又损害长期可靠性——力学增强因此成为将水凝胶从药物释放等被动应用转变为主动材料的决定性策略（图12）。

图12 力学增强水凝胶致动器与封装系统：（A）涂覆离子选择性膜的PSPA水凝胶致动器，阻塞应力1.44 MPa、举起21 kg载荷；（B）PEDOT:PSS/PAA水凝胶嵌入纤维素支架，机械互锁与共价键防脱层，支持多模式致动；（C）明胶–单宁酸腻子状封装剂，脱水后自主优化电磁吸收，实现自封装与自适应

近年进展将结构增强与功能响应相结合，使水凝胶产生更高致动力并承受变形。Na等人开发涂覆刚性离子选择性膜的聚（3-磺丙基丙烯酸钾盐）（PSPA）水凝胶致动器，利用电渗流产生1.44 MPa阻塞应力并举起21 kg载荷，致动强度远超常规水凝胶致动器（图12A）。Song等人将PEDOT:PSS/PAA水凝胶嵌入纤维素支架，借助机械互锁与共价键增强界面韧性、防止扭转弯曲或浸没过程中脱层，复合体保持动态响应并支持弯曲、扭转与收缩等多种致动模式，拓展了水凝胶致动器在水下机器人与可穿戴设备中的工作空间（图12B）。

力学增强在封装系统中同样发挥关键作用：水凝胶作为柔性电子的自适应保护层，尤其在易受机械磨损与环境侵蚀的互连与结点处，其富水组成提供共形覆盖、固有热耗散与阻燃性。Zhang等人报道明胶–单宁酸腻子状水凝胶封装剂，可承受反复弯曲、拉伸与压缩，同时提供电磁屏蔽；值得注意的是，从饱和态（SGT）脱水至自然态（NGT）后，水凝胶自主优化电磁吸收能力，实现自封装与自适应的双重功能（图12C）。这些案例贯穿统一原则：力学增强将水凝胶从脆弱短命的响应性凝胶转变为能够持续致动、防护与自适应的多功能材料——结构韧性不是辅助改进，而是水凝胶在下一代软体机器人与可穿戴技术中可靠多功能服役的根本前提。

4 总结与展望

水凝胶正经历深刻变革——从曾经局限于生物领域的脆弱水胀网络，转变为在软电子、能源系统与自适应界面中占据核心地位的力学强韧多功能材料。其演化不仅由化学驱动，更由对力学的自觉控制驱动：通过调控应力耗散、载荷传递与网络动力学的结构设计，柔软性已从局限转化为设计优势。传感、储能、致动与封装等应用共同揭示，力学调控是可靠性与功能赖以建立的统一基础——强度、模量与韧性不是辅助参数，而是电荷传输稳定性、信号保真度、抗疲劳性与环境耐受性的物理决定因素。双网络架构通过牺牲密交联骨架的键断裂耗能、松散次级网络保持弹性，将断裂能提升数个量级；各向异性取向（拉伸、模板或定向冷冻）沿应力轴组织链或填料，将各向同性凝胶转化为类肌肉纤维增强复合体；纳米复合增韧以纳米粒子、纳米片或纳米纤维桥接聚合物链并再分配应力；溶剂与离子调控精细调节水合、渗透压与内摩擦；动态物理键（氢键、离子、金属–配体或主客体）断裂后重组，赋予自愈合与长期韧性。

然而，当前增强方法仍多为经验性设计，优化常依赖对单体配比、填料含量或交联密度的试错调整；微观结构、宏观力学响应与功能性能之间的定量联系尚不完整，刚度抑制灵敏度、韧性阻碍离子迁移、高交联密度加速脱水等权衡依然存在，湿度、pH、温度等环境因素对水合与力学行为的调制也超出现有模型覆盖范围。该领域正面临从描述性改进迈向预测性设计的关键挑战。未来进展将依赖本构物理与数据科学的融合：需要物理信息预测模型描述缠结密度、可逆键动力学、结晶锚点与填料–基体相互作用如何共同定义不同水合状态与时标下的应力–应变行为；高通量力学测试（单调、循环、疲劳）结合原位光谱与环境传感可生成多维数据集，机器学习算法则可揭示结构–性能–功能间的隐藏关联，识别平衡韧性、模量、电导率与水合稳定性的帕累托配方，使力学调控变得定量化、可编程，性能由预测而非经验发现获得。

当预测性建模与嵌入式计算融合，“智能水凝胶"概念开始成形：这些材料将被定量设计、层级有序且动态自适应，在保持高含水量生物相容性与离子传输的同时，实现强度、多MJ·m⁻³韧性与10⁴–10⁵次变形或温度波动下的运行稳定性；轻量嵌入式学习算法可处理内部应变、湿度或温度传感器的实时反馈，实现自调水合、自主网络修复与反馈控制电导率。利用纤维素、壳聚糖、明胶与木质素等可再生生物聚合物开展水基、室温、无溶剂绿色合成，可最大限度降低能耗与有毒废物并增强可降解性。力学智能水凝胶有望成为非侵入性神经或喉部接口、可感知触觉与情绪线索的软机器人皮肤、动态匹配再生组织力学环境的生物医学支架的基础——材料科学、力学与生物工程由此汇聚于共同愿景：设计能与机器和人体无缝通信的物质，而力学调控——经设计、学习并最终自主定向——将决定水凝胶及其下一代人机集成技术的可靠性、适应性与寿命。