水下智能系统需要兼具柔韧性、环境耐受性和功能集成的材料。水凝胶因其柔韧性与导电性的结合而备受期待，但在恶劣环境中常失效。在此，通过离子浓度梯度调控，制备出具有核壳结构的抗冻防肿胀水凝胶。聚丙烯酰胺/聚丙烯酸预凝胶浸入Al3+溶液后形成浓度梯度。外层形成致密金属氧化物薄膜，构成坚固防护铠甲；内层聚合物网络则维持弹性。动态交联网络赋予水凝胶卓越的机械强度（561%应变）与断裂强度（0.188 MPa应力），具备优异的抗冻性能（−48 °C）及快速响应能力（198 ms）。基于机器学习的摩斯电码解码技术建立了非语言水下通信系统，实现了远程人机交互与高效机器人控制。该水凝胶系统在极端环境中实现了“感知-控制-通信”一体化，为持续数字运动监测与人机交互提供了创新策略。
2025年11月4日，该研究以Machine Learning Enabled Fluorescent Anti-Freezing Core–Shell Hydrogel Realizing Deep-Sea Morse Code Communication for Human-Machine Interaction Engineering为题发表在《Nano Letters》上，文章通讯作者为哈尔滨工程大学丁鹤副教授，盖世丽教授和杨飘萍教授。文章共同第一作者为殷延岐和高天翔。
深海环境温度低、压力高、盐度大，传统电子器件在此容易失效。水凝胶虽具柔性与导电性，却在高寒和高盐条件下容易发生脆化，胀大等现象导致导电下降。研究团队因此提出：能否设计一种材料，在深海中既能“感知”，又能“发光通信”？由此，研究人员采用离子浓度梯度调控，设计出一种“内柔外刚”的核壳结构水凝胶。
图1 核壳结构水凝胶的形成机制示意图
如图1所示，内部的聚丙烯酰胺/聚丙烯酸（P（A
M-AA））网络提供柔性；外层通过Al3+–羧酸根配位，形成致密氧化层，生成Al2O3膜，如同“保护盔甲”；同时在结构中引入碳量子点（CQDs）与疏水改性二氧化硅，赋予其荧光与防水性能。制备的疏水改性的核壳结构水凝胶（PACS）经机器学习后可用于人机交互的摩斯密码沟通和应变可视化。该结构的创新点在于：（1）外壳负责抗腐蚀抗肿胀（2）内核负责柔性导电（3）两者通过离子梯度自然过渡，形成刚柔并存的稳定体系。
图2 PACS水凝胶合成过程及材料表征
图2展示了PACS水凝胶的结构构筑、形貌与组分分析，从宏观到微观层面证明了Al3+浓度梯度诱导的核壳结构成功形成。其中CQDs在紫外光照射下发出明亮的黄光，激发与发射峰位稳定，仅在长期照射后略有偏移，说明荧光性能优异且结构稳定。FTIR显示Si–O–Si的特征吸收峰明显，同时出现–CH振动信号，证明疏水基团成功接枝到SiO2表面。通过控制外层AlCl3浸渍时间与扩散速率，在P（AM-AA）基体内部形成Al3+浓度梯度。外层富含Al3+离子，与羧基配位后交联形成致密层；内层Al3+含量较低，网络相对松散。
图3 抗肿胀与抗冻性能测试
在疏水抗冻测试中，疏水改性后的介孔二氧化硅形成的疏水缔合作用，两性离子形成的静电作用和Al3+形成的金属配位作用三者协同形成防渗层阻止水分子进入。与P(AM-AA)水凝胶在去离子水和人造海水中进行肿胀对比，结果发现PACS水凝胶肿胀率仅为51.2%和91.7%，远低于
P(AM-AA)水凝胶的2485.7%和604.0%的肿胀率。在水接角测试中，PACS水凝胶水接角高达89.8°，表现出明显的疏水性。两性离子3-[N,N-二甲基-[2-(2-甲基丙-2-烯酰氧基)乙基]铵]丙烷-1-磺酸内盐（SBMA）同时带正负电荷，能牢牢束缚住水分子，形成稳定的“结合水”。DSC测试中显示，PACS水凝胶凝固点最低至−65°C，意味着即使在零下几十摄氏度的深海环境中，材料仍能保持弹性与信号传导能力。
图4 摩斯密码通信与机器人远程控制
研究团队基于PACS水凝胶的高灵敏电学响应特性，构建了一个摩尔斯码通信与远程人机交互系统。手指轻微快速弯曲时，水凝胶的电阻迅速上升，系统识别为“点”；持续弯曲时，电阻变化时间更长，被识别为“横”；放松手指，则恢复初始状态，形成信号间隔。通过这种简单的动作编码，系统成功传输了“SOS”“OK”“HEU”等摩尔斯信号。此外，团队进一步将传感信号与机器人控制系统连接，构建了人机交互原型。当操作者做出弯曲、伸展、握拳等不同手势时，机器人通过无线信号实时响应，实现动作同步，在演示中，机器人成功完成了“握手”“举起”“释放”等复杂动作。这种基于抗冻导电水凝胶的摩斯密码通信系统，打破了传统电子元件在低温、高压环境下的限制。使“柔性材料”成为了真正的“信号体”，能在深海环境中感知、传输并解码信息。
综上，通过离子浓度梯度诱导技术，成功开发出具有核壳结构的多功能PACS水凝胶，确保在极端环境中稳定获取运动信号。致密的Al3+配体外层赋予其刚性，而柔性内层网络则保持了可变形性。疏水改性与碳量子点功能化赋予其抗膨胀性和光学响应性。协同化学作用赋予水凝胶卓越的抗冻性、比传统水凝胶高48倍的抗膨胀能力。基于这些特性，展示出基于摩斯电码的机器学习通信平台和远程人机交互系统将应变诱导的电阻变化转化为数字控制信号，实现安全高效的机器人操作。PACS水凝胶为恶劣环境下的柔性电子设备建立了多功能平台，在深海探测、设备维护、军事潜水及水下考古领域具有广阔应用前景。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c04651
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