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近年来，水凝胶因其在组织工程、软体机器人和可穿戴电子领域的潜力而受到广泛关注。但是大多数水凝胶设备需要依赖外部电源进行信号激发，导致设计笨重，限制了其潜力。目前业内提出自供电水凝胶的解决方案，克服了传统水凝胶设备需要外部电源的局限性。但大多数由于反应物的持续消耗而寿命短和性能下降，严重阻碍了实际应用。

近日，美国新泽西理工大学研究团队通过材料-结构-工艺-应用的全链条创新，提出了一种高性能双网络压电水凝胶，并赋予其自然启发的3D形态与多功能应用潜力，为下一代可穿戴生物电子器件提供了新范式。研究成果以Nature-inspired helical piezoelectric hydrogels for energy harvesting and self-powered human-machine interfaces为题发表于Nano Energy。

主要创新点

1. 双网络结构设计：平衡压电性能与柔性

创新点：提出了一种由柔性纤维素和刚性P(VDF-TrFE)组成的双网络压电水凝胶（PH），通过共价键、氢键和偶极相互作用形成三维互穿网络。

优势：解决了压电水凝胶在增强压电性能时牺牲柔韧性的矛盾，同时实现了高强度、高韧性、类皮肤柔韧性和高效机械能-电能转换。

刚性网络提升压电性能，柔性网络保持材料可拉伸性，二者协同优化综合性能。

2. 2. 自然启发的3D宏观结构设计

创新点：受植物卷须启发，利用双层材料的应变效应，设计出自卷曲的螺旋（helix）和环形（ring）结构。

优势：突破了压电水凝胶的薄膜形态限制，实现可控3D宏观结构（如螺旋、环形），适应不同可穿戴场景的需求。

通过应变控制自组装过程，无需复杂模具或后处理。

3. 3. 创新应用场景拓展

医疗领域：螺旋PH装置与起搏器导线集成，从心脏搏动中收集能量，为植入式医疗设备供电提供新思路。

人机交互（HMI）：智能PH环作为自供电可穿戴设备，实现手势识别与交互，在VR手术领域展现应用潜力。

图文解析

图1：设计概念和示意图

图2：双网络PH的制造和表征

图3：PH的机械-电转换评价。

图4：螺旋PH装置用于心脏能量收集

图5：智能PH环作为自供电HMI用于VR心脏手术

论文地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285525001144