过去几年，随着人工智能、大模型和机器人控制技术快速发展，人形机器人正在从实验室走向产业化。从工业制造、仓储物流，到家庭服务、医疗陪护，人形机器人正在尝试进入更加复杂、开放的真实环境。

然而，真正接近人类能力的人形机器人，并不仅仅需要“像人一样运动”，更需要“像人一样感知”。

因此，电子皮肤（Electronic Skin，E-skin）被认为是未来人形机器人实现高阶智能交互的重要技术方向。

近年来，随着柔性材料、离子导电材料和水凝胶技术的发展，一类兼具柔软性、透明性、高含水量和生物兼容性的材料——电子皮肤水凝胶（Hydrogel-based Electronic Skin）逐渐成为研究热点。

相关研究指出，水凝胶由于具有类似人体组织的柔软特性和良好的离子传输能力，被认为是构建下一代仿生电子皮肤的重要材料体系之一。

在电子皮肤的发展过程中，材料一直是决定性能的核心因素。传统金属、半导体材料虽然具有良好的导电性能，但由于刚性较强，难以满足机器人皮肤对于柔软、可拉伸、耐形变的要求。

水凝胶材料则提供了一种新的解决方案。

水凝胶是一类由三维交联网络和大量水分组成的软材料，其结构类似人体组织，既具有固体材料的稳定性，又具备液体环境中的柔软特性。由于含有大量水分以及可移动离子，部分水凝胶能够通过离子迁移实现电信号传输，因此天然适合作为柔性传感材料。

简单来说，它类似于：“锁住大量水分的柔性高分子网络”。

由于含水量高，水凝胶通常具有：

• 柔软触感；
• 高弹性；
• 良好的生物相容性；
• 接近人体组织的机械性能。

这些特点使其天然适合模拟人体皮肤。

人体皮肤本身就是一种复杂的柔性组织：既需要承受拉伸和弯曲，又需要传递外界刺激。而传统金属、硅基电子材料虽然电子性能优异，但刚性较强，很难实现与人体皮肤类似的贴合感。

因此，研究人员开始探索：

利用水凝胶作为电子皮肤的柔性载体。

1. 超柔软：更接近人体皮肤触感

相比传统柔性薄膜材料，水凝胶具有更低的弹性模量。

人体皮肤弹性模量通常处于几十kPa至MPa范围，而部分水凝胶材料可以通过结构设计调节至类似人体组织的力学性能。

2. 离子导电：模拟人体神经信号传递方式

传统电子器件主要依靠电子传输。而人体神经系统中的信号传递，很大程度依赖离子运动。水凝胶内部含有大量水和电解质，因此天然具备离子传导能力。

研究人员通过加入盐离子、离子液体和导电聚合物等材料，使得水凝胶形成柔性离子导电网络。这种机制使水凝胶电子皮肤能够响应压力、拉伸、弯曲以及温度变化等。相关研究表明，离子导电水凝胶已经成为柔性压力传感器和人工皮肤的重要技术路线。

3. 高拉伸能力：适应机器人运动变形

人形机器人运动过程中，皮肤表面会不断发生拉伸、压缩、扭曲等，机器人手指弯曲时，指关节区域需要承受较大形变。普通电子器件容易因为拉伸出现电路断裂、信号漂移、性能下降等问题。

而水凝胶通过双网络结构、动态交联、纳米复合增强等能力可以实现较高伸长率。部分高性能水凝胶电子皮肤材料已经实现数百个百分点的拉伸能力，同时保持稳定传感性能。

目前，用于电子皮肤的水凝胶主要包括以下几类：

1. 聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶：最经典的高强度柔性基底材料

聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAAm）水凝胶是目前柔性电子皮肤研究中应用最广泛的一类合成高分子水凝胶材料之一。PAAm由丙烯酰胺单体聚合形成三维网络结构，大量水分子能够被锁定在聚合物网络内部，使材料同时具备柔软性和一定的机械支撑能力。

在电子皮肤领域，PAAm水凝胶受到关注的重要原因在于其力学性能具有较强的可调控性。通过改变交联密度、聚合方式以及复合其他材料，可以调节水凝胶的弹性、韧性以及拉伸能力，使其适应不同应用场景。

例如，在机器人手指、柔性触觉贴片等需要频繁弯曲和拉伸的部位，材料需要承受长期机械变形，而PAAm水凝胶可以通过结构优化获得较好的循环稳定性。

2. 海藻酸盐（Alginate）水凝胶：天然来源的仿生柔性材料

海藻酸盐（Alginate）是一种来源于海藻的天然多糖材料，由甘露糖醛酸和古洛糖醛酸组成。由于其天然来源、生物相容性良好以及温和的凝胶形成条件，海藻酸盐水凝胶长期以来被广泛应用于生物医学、组织工程和柔性传感领域。

在电子皮肤领域，研究人员通常利用海藻酸盐中的羧基与金属离子之间的离子交联作用形成凝胶网络。

此外，海藻酸盐水凝胶还具有良好的离子传导能力。由于其内部含有大量水分和可移动离子，当受到外界压力或拉伸作用时，内部离子分布会发生变化，从而产生可检测的电信号。这使其适用于压力传感器、触觉传感器等电子皮肤组件。

3. 明胶基水凝胶：更接近人体组织的仿生材料体系

明胶（Gelatin）是一种来源于胶原蛋白降解后的天然蛋白质材料，具有良好的生物相容性和柔软性。在电子皮肤研究中，明胶基水凝胶因其与人体组织高度相似的特点，被认为是一类具有潜力的仿生材料。

明胶甲基丙烯酰化水凝胶（GelMA，Gelatin Methacryloyl）可以与导电材料结合，形成具有感知能力的柔性电子器件。例如，通过加入导电纳米材料或离子导电组分，可以使GelMA同时具备柔软性和电信号响应能力。

4. 导电聚合物复合水凝胶：让水凝胶真正具备“电子皮肤”能力

虽然普通水凝胶具有良好的柔软性和仿生特征，但其电子性能通常不足，无法直接承担信息传输功能。因此，研究人员开始将导电材料引入水凝胶体系，形成具有电子传输和离子传输能力的复合水凝胶。

例如，PEDOT:PSS（聚3,4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸）具有较高电导率，同时能够保持一定柔韧性，将其加入水凝胶后，可以形成电子—离子混合传输网络。当机器人皮肤受到压力、拉伸或触摸时，水凝胶结构变化会影响电荷传输路径，从而产生对应电信号。

相比传统金属电极，导电聚合物复合水凝胶能够更好适应大幅形变。例如，人形机器人手掌在抓取物体时，皮肤区域会不断弯曲和拉伸，如果采用刚性线路，很容易出现断裂，而柔性导电水凝胶能够随着结构变化保持连续传感。

电子皮肤水凝胶材料凭借柔软、高伸缩、离子传导以及仿生特性，为机器人提供了一条接近人体皮肤的技术路径。

当机器人拥有类似人类皮肤的感知能力，它们将不只是“看见世界”，而是真正开始“感受世界”。

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