气凝胶凭借超轻、优异的吸湿性、透气性及隔热性能，成为智能可穿戴设备的理想化工程载体。目前，大多数气凝胶在机械设计上侧重于提高抗压强度以匹配高冲击或高强度的传感应用场景。然而，在可穿戴医疗保健系统中，传感设备通常需要应对反复且复杂的动态变形以适应人体关节运动。过高的抗压强度会导致气凝胶与人体的动态贴合性不足，从而影响佩戴舒适度和生物力学信号采集能力。

针对以上问题，东北林业大学韩广萍教授、程万里教授团队联合哈尔滨工业大学刘彦菊教授团队提出了一种冰模板诱导跨尺度纤维/颗粒共组装策略，用于制造柔软的超弹性摩擦电智能气凝胶。超弹性的实现关键在于采用氧化硅纳米纤维（SNF）和纤维素纳米纤维（CNF）作为跨尺度纤维体系，其通过冰晶诱导相分离和纤维间界面强化构建了稳定的微观层-支柱结构。独特的能量耗散机制使气凝胶在80%的应变后能够完全恢复并且在超千次压缩后仅显示出轻微的塑性变形。高摩擦电性的实现关键在于引入ZnO@ZIF-8异质结纳米颗粒，其通过耦合异质结效应和空间极化效应进一步强化了气凝胶的摩擦电特性，包括1.2 V的表面电位和10.2的相对介电常数。由气凝胶组装的摩擦电器件表现出超高的压力灵敏度（12.1 V kPa⁻¹）并且能够精准监测康复训练人群的关节运动状态。作为智能气凝胶的人机交互演示，研究还设计了一款智能护颈系统。结合机器学习模型，该护颈系统能够高精度（97%准确率）识别颈部运动，并且可以通过颈部动作直接控制虚拟界面游戏角色执行任务指令。相关工作以“Superelastic Triboelectric Aerogel Enabled by Cross-Scale Fibers and Heterojunction Particles for Wearable Intelligent Neck Guard”为题，发表于Advanced Functional Materials上。东北林业大学博士研究生粟俊杰和哈尔滨工业大学博士研究生牛兆轩为论文共同第一作者，韩广萍教授、程万里教授、刘彦菊教授及赵伟副教授为共同通讯作者。

该研究通过受控相分离和纤维间界面增强构建具有层-支柱结构的气凝胶。SNF与CNF通过物理互锁形成致密互穿网络。同时，加入的硅烷偶联剂一方面在SNF表面物理黏附构建Si─O─Si交联网络，另一方面通过共价缩合与氢键作用桥联CNF以增强结构稳定性。ZnO@ZIF-8作为摩擦电增强剂经静电自组装负载于CNF表面。定向冷冻过程中，小尺度CNF在冰晶间隙形成连续壁层，大尺度SNF则横亘壁层间自组装成柱状支撑。该结构赋予气凝胶力学超弹性。

图1：超弹性摩擦电智能气凝胶的设计思路

结果表明，构建的摩擦电气凝胶（ZZ-MSCA）展现出卓越力学性能，其在宽应变范围（20%-80%）具有良好的形状恢复能力及极端环境适应性。同时，气凝胶在超千次压缩循环后保持了70%以上初始强度和模量，残余应变仅5.3%。摩擦电性能方面，ZnO@ZIF-8的异质结效应使气凝胶表面电势由0.98 V提高至1.20 V。同步提升的介电性能（100 Hz下相对介电常数10.24）与低损耗特性（<0.1），证实其出色的电荷转移与机电转换能力。

图2：超弹性摩擦电智能气凝胶的多重出色性能

在此基础上，该研究展示了典型接触分离型ZZ-MSCA基TENG的电输出性能。在双电极模式下，ZZ-MSCA基TENG表现出优异的电输出，包括120 V的开路电压、3.1 μA的短路电流和70 mW m⁻²的功率密度，这使其能够连续为商用电容器和电子手表充电。此外，ZZ-MSCA基TENG还具有极高的电压灵敏度（12.1 mV Pa⁻¹）和快速响应速度（100 ms）。

图3：气凝胶TENG的摩擦电输出性能

实际测试中，将ZZ-MSCA基TENG贴附于人体关节，其可通过峰值差异精准解析膝、颈、肘及踝关节屈曲程度（30°、60°、90°）。运动监测中稳定的电信号表明传感器工作可靠。此外，传感器还能够有效解析球类运动的关键技术动作，突显其在多场景运动分析中的应用价值。

图4：超弹性摩擦电智能气凝胶的传感特性

该研究设计并开发了一款集成ZZ-MSCA基TENG的智能护颈系统（INGS）。结合机器学习模型，INGS能够高精度（97%准确率）识别8种颈部运动，并且在跨受试者/时间/环境测试中展现优异的泛化能力。此外，INGS还可通过颈部动作直接操控游戏角色执行指令，彰显其在机器学习赋能下的智能化人机交互工程应用潜力。

图5：用于人机交互的智能护颈

总结：本研究通过跨尺度纤维/异质结粒子共组装构建层-支柱结构，成功制备了超弹性摩擦电智能气凝胶。此外，开发了一款集成机器学习算法的智能护颈系统，实现了高精度颈部姿态识别。同时，该系统还可通过颈部运动直接映射虚拟角色操控指令。该工作为可穿戴摩擦电材料提供了一种创新的设计思路，并揭示了超弹性摩擦电智能气凝胶在可穿戴智能医疗系统和无源化人机交互界面的广泛应用前景。第一作者简介粟俊杰，东北林业大学木材科学与技术2024级直博生，师从程万里教授（导师）与韩广萍教授（合作导师）。目前，主要围绕杂化纳米纤维气凝胶材料的设计、超弹性材料的构建、生物质基自供电设备的开发展开研究。