復旦新型水凝膠傳感器，重新定義儀器感知極限

極端環境（高溫、極寒、高鹽）下的精準感知，是儀器設備領域長期面臨的技術瓶頸——傳統傳感器要么因材料耐受不足頻繁失效，要么因改性策略顧此失彼，難以兼顧性能、穩定性與兼容性。近日，復旦大學張榮君/韋曉玲團隊研發的新型水凝膠傳感器，以竹籃編織為靈感，通過創新調制策略破解上述難題，其優異的綜合性能為極端環境監測儀器升級、柔性傳感設備國產化提供了全新路徑。

極端工況下的傳感“兩難困境”

在電力、化工、極地科考、深海探測等儀器設備核心應用場景中，極端環境對傳感器的可靠性提出極 致要求。現有解決方案普遍存在短板：一方面，傳統金屬或MEMS傳感器在-40℃以下極寒環境易出現熱滯漂移、機械卡澀，在海水、鹽霧等高鹽環境中腐蝕速率快，3年內靈敏度下降可達40%，高海拔地區年故障率更是高達8.3%<superscript>2；另一方面，常規水凝膠傳感器雖具備柔性優勢，但內部“自由水”與稀疏聚合物交聯結構，使其在極端環境下易脫水、斷裂，而現有高濃度鹽改性策略又會犧牲生物相容性，無法適配體內監測、醫療儀器等場景。

這種“性能與耐受不可兼得”的困境，導致極端環境監測儀器要么依賴高成本封裝（如316L不銹鋼全焊接結構）和冗余設計，要么被迫放棄部分場景適配，制約了設備向輕量化、柔性化、高精度方向升級。

竹籃編織靈感下的“逐步氫鍵調制策略”

復旦團隊的核心突破，在于跳出傳統“單一改性”思路，從竹籃“分散—框架—致密交聯”的編織邏輯中獲得啟發，構建了兼顧效率與性能的水凝膠制備體系，其技術路徑可拆解為三大關鍵步驟：

組分分散：將聚乙烯醇（PVA）、氧化羧甲基纖維素鈉（OCMC-Na）、明膠（Gel）多組分水凝膠的微區視為“竹條”，通過MgCl?鹽溶效應削弱氫鍵，實現“竹條”均勻分散，解決傳統水凝膠交聯不均的問題。

框架構建：采用定向冷凍技術搭建稀疏交聯的基礎框架，為后續致密結構提供支撐，同時保留柔性傳感所需的結構韌性。

致密成型：通過Na?C?H?O?鹽析效應，讓“竹條”纏繞框架形成類似竹籃的均勻交聯結構，最終制備出PCG-x系列水凝膠。

與現有技術相比，該策略的核心優勢的是“低離子鹽濃度下的性能協同增強”——無需依賴高濃度離子改性，既規避了滲透壓對生物相容性的破壞，又通過氫鍵調控實現了傳感性能、環境耐受性的同步提升，為傳感器與儀器系統的集成降低了適配難度。

極端環境下的“硬核指標”

作為儀器設備的“感知神經”，性能參數直接決定其應用價值。本次研發的PCG-0.5水凝膠傳感器，在關鍵指標上實現對傳統產品的突破，且具備明確的儀器集成潛力：

寬域環境耐受：可在-75℃超低溫至60℃高溫區間穩定工作，遠超現有工業極端環境傳感器-40℃~70℃的常規溫域<superscript>3，同時能在海水環境中保持有效應變傳感，解決高鹽腐蝕難題。

優異機械與傳感性能：739%應變下機械強度達4.9MPa，遠超傳統水凝膠（約0.09MPa）及部分改性水凝膠（1.37MPa）<superscript>4，可精準識別應變、壓力、溫度多維信號，適配動態監測場景。

生物與系統兼容性：體內植入4周仍保持優異生物相容性，突破醫療植入式傳感器的材料限制；同時基于CNN模型構建信號快速識別系統，可直接對接儀器數據處理模塊。

從實驗室到儀器設備的“應用路徑”

結合儀器設備領域的實際需求，該傳感器可快速切入三大核心場景，推動相關設備升級：

1. 極端環境特種監測儀器

在極地科考、高海拔電力監測、深海探測等場景中，可替代傳統金屬傳感器，用于手勢交互、設備振動、環境溫度的柔性監測。例如，在-75℃極寒環境下，可集成到手勢控制儀器中，實現無接觸操作，解決低溫下機械按鍵失靈問題；在海水環境中，可作為深海探測儀器的應變傳感單元，規避金屬腐蝕導致的信號失真。

2. 醫療與體外診斷儀器

依托優異的生物相容性，可集成到植入式生理監測儀器、柔性穿戴診斷設備中，實現對人體關節運動、體內壓力變化的長期監測，且無需擔心材料毒性或免疫排斥反應，彌補現有醫療傳感器“剛性接觸、短期監測”的不足。

3. 工業人機交互與智能裝備

在高溫車間、化工腐蝕環境中，可作為智能裝備的柔性觸控傳感單元，實現操作人員與設備的安全交互；其簡單的制備工藝可適配規模化生產，降低工業級柔性傳感器的量產成本，推動人機交互儀器向輕量化、耐候性方向發展。

該研究的價值，不僅在于一款新型傳感器的誕生，更為儀器設備領域提供了“跨領域靈感+性能協同”的創新范式。長期以來，極端環境傳感器的升級多依賴封裝技術優化，而復旦團隊從天然結構中汲取靈感，通過材料內部結構調控實現性能突破，證明“材料革新”是破解儀器傳感瓶頸的核心路徑。