像皮肤般可伸缩的传感器竟能用于海水发电？…国立釜庆大学开发“万能水凝胶”

Published 30 Jul.2025 10:20(KST)

Updated 30 Jul.2025 14:38(KST)

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Kim Yonghyun教授团队提出人体贴附式可穿戴传感器未来材料

一种对电信号高度敏感、又像皮肤一样具有优异伸展性，并且浸入海水中还能自行发电的下一代“多功能水凝胶”，已由韩国国内研究团队成功开发。

国立釜庆大学显示与半导体工程专业的 Kim Yonghyeon 教授研究团队，将天然来源物质黄原胶（Xanthan Gum）与生物相容性高分子聚乙烯醇（PVA）相结合，开发出在机械强度和电导率方面同时实现极大提升的高性能水凝胶。

金容铉教授研究团队。国立釜庆大学提供

本次研究的核心在于，通过独创的“双重交联与离子处理”工艺，解决了以往水凝胶研究中机械强度与离子电导率之间“相互制约（trade-off）”这一难题。研究团队采用同时引入物理—化学键合的“双重交联”方式，使水凝胶骨架更加坚固，随后再通过“离子处理”工艺，在提高导电性的同时进一步稳定结构。

结果表明，该水凝胶的强度比现有材料提高了20倍以上，并可在原始长度基础上伸长4倍以上（延伸率410.2%），在展现出优异机械性能的同时，还实现了极高的离子电导率（5.23 S/m）。即便在反复运动条件下，电信号几乎不存在失真（滞后现象），从而确保了其作为传感器的稳定性与可靠性。

基于这些特性，研究团队将水凝胶贴附于皮肤，用作感知人体多种动作的可穿戴传感器。传感器不仅能够检测手指、膝盖等关节的大幅运动，还成功实现了对脉搏、呼吸、吞咽等微小生理信号的精密测量。尤其是将采集到的数据交由人工智能（AI）分析后，以84.9%的高准确率区分出多种动作，验证了其作为人机交互界面（HMI）的应用潜力。

此外，研究团队还证明，这种水凝胶可以作为生产环保能源的“发电机”使用。其原理是利用水凝胶内部与海水之间的盐度差，使离子迁移并产生电能，即“渗透压发电（osmotic power）”机制。实际实验中，研究人员将多个水凝胶单元串联连接，成功点亮了发光二极管（LED）灯，从而验证了其作为可持续能源载体的潜在价值。

相关研究成果以“High-performance PVA/xanthan gum hydrogel via dual cross-linking with ionic treatment for wearable sensing and hydrovoltaic energy generation”为题，发表在化学工程领域的国际权威学术期刊（影响因子IF=13.2）上，获得了学术界的认可。

主导该研究的 Kim Yonghyeon 教授表示：“此次开发的水凝胶在实现卓越机械性能的同时兼具高导电性，突破了既有材料的局限”，“不仅有望应用于可精确检测生理信号的下一代可穿戴设备，也将为利用海洋能源的环保发电元件等多种尖端技术领域的发展作出贡献”。