结构设计：让硬域成为“缠结节点”
研究团队通过三步法合成了拓扑限域聚氨酯弹性体。首先合成以异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）和聚四亚甲基醚二醇（PTMG）为基础的线性聚氨酯预聚物作为软链段，其丰富的醚氧基团有利于与锂盐形成动态松散配位，确保固态下快速离子传输。随后采用偶联单体法合成富含羰基和羟基的超支化纳米簇，作为链延长剂与线性预聚物反应，形成超支化纳米簇桥接拓扑。静电势分析证实IPDI中NCO基团反应活性高于预聚物，确保了超支化纳米簇的分级反应形成。这一设计的核心在于：超支化纳米簇作为拓扑节点增强聚合物网络，拉伸时拓扑约束抑制过度链滑移并保持结构完整性（图2l），而氨基甲酸酯和脲部分的氢键部分解离以耗散机械能，相邻纳米簇间的柔性链段则保持足够运动性以实现连续氢键重排。变温FTIR和二维相关光谱揭示，氨基甲酸酯氢键比脲氢键更易解离，加热时优先弱化重组，而较强的脲氢键保持稳定（图2a、图2b）。DMA、AFM和SAXS结果共同证实，随着纳米簇含量增加，硬段玻璃化转变峰移向高温（图2c），交联密度和储能模量显著提高（图2f、图2g），微相分离结构更加明显（图2d、图2e）。分子动力学模拟显示，NB60-PUSIC的每大分子链内聚能达172 kcal mol⁻¹，显著高于NB30（134 kcal mol⁻¹）和NB40（154 kcal mol⁻¹），表明超支化纳米簇促进了密集氢键相互作用（图2h）。
图1 拓扑限域实现全固态离子导电弹性体直接纺丝的设计原理与纺丝过程。（a）杜仲胶被拉制成丝的照片与结构示意图。（b）含超支化纳米簇的弹性体合成及交织网络的形成。（c）具有限域拓扑的离子导电弹性体的直接纺丝。（d）拓扑限域离子导电弹性体中导电机制的示意图。（e）拓扑限域离子导电弹性体与其他已报道重要工作的综合性能对比。
性能突破：力学强度与离子传导兼得
力学测试表明，随着纳米簇含量从30%增至60%，拉伸强度从2.9 MPa显著提升至13.1 MPa，同时NB60-PUSIC保持1050%的高断裂伸长率和74.3 MJ m⁻³的韧性，杨氏模量从2.0增至40.1 MPa（图3a、图3b）。温度依赖性电化学阻抗谱显示，NB60-PUSIC室温离子电导率达2.83×10⁻⁶ S cm⁻¹，活化能为0.55 eV，表明Li⁺传输遵循热激活跳跃机制（图3c）。DFT计算显示，Li⁺与醚、氨基甲酸酯和脲基团的结合能分别为−51.89、−71.02和−76.56 kcal mol⁻¹，远强于TFSI⁻与相应基团的结合，这种优先Li⁺配位有效削弱了Li⁺–TFSI⁻离子配对（图3e、图3f）。固态⁷Li NMR和Raman光谱进一步证实，NB60-PUSIC中自由TFSI⁻比例达60.2%，高度解离（图3g、图3h）。此外，该弹性体还表现出优异的再加工性和自修复能力：80°C热压5分钟即可重组，室温接触1小时可无缝自愈（图3i），经三次熔融再加工和溶解回收后离子电导率几乎不变（图3d），动态网络可有效重建（图3j、图3k）。
直接纺丝：从弹性体到连续纤维
研究团队系统考察了NBx-PUSIC的可纺性。稳定成丝的关键在于结构内聚力足以抵消毛细力驱动的液桥颈缩（图4a）。传统聚合物离子导体纺丝液缺乏有效链间节点，拉伸时快速颈缩断裂；而超支化纳米簇桥接拓扑增强了链间耦合，抑制链滑移并延缓毛细断裂。流变测试显示，NB60-PUSIC纺丝液具有更高的储能模量和损耗模量（图4c、图4d），以及明显的剪切变稀行为（图4e），既能在低剪切下保持高粘度抑制不受控流动，又能在拉伸时降低粘度便于变形。液桥颈缩实验表明，NB60-PUSIC归一化颈半径下降幅度远小于NB30和NB40，能在更长时间内保持较大丝条半径（图4f、图4g）。基于此，团队通过两平行板间的界面粘附驱动拉伸，将纺丝液直接拉制成密集微纤维阵列，再经加捻形成连续纤维（图4h）。SEM显示纤维呈螺旋结构，相邻微纤维间有明显融合，EDS元素映射证实LiTFSI在纤维中均匀分散（图4i）。所制备的NB60-PUSIC纤维拉伸应力达11.0 MPa，断裂伸长率1094%，韧性52.6 MJ m⁻³（图4j），可轻松提起200 g重物（图4k），并能缝入针织手套，与纺织基材展现良好形变兼容性（图4l）。
多功能传感：从人体运动到机器人识别
得益于力学鲁棒性和高形变兼容性，NB60-PUSIC纤维在可穿戴传感中表现突出。封装于硅胶管中的纤维传感器在200%–600%大应变下电阻响应随应变单调增加（图5a），同时可分辨1%–16%的小应变（图5b），响应和恢复时间分别为1.10和1.11 s（图5d）。在0%–600%应变范围内，灵敏因子分为三个区域：0%–150%区间为0.99，150%–300%区间为1.90，300%–600%区间为4.67（图5e）。经1000次循环后信号无明显衰减（图5f）。贴附于手指、手腕、肘部、肩部和膝部，传感器可准确记录从简单关节弯曲到漫步、冲刺、深蹲、坐立转换等复杂下肢运动（图5g–图5k）。此外，纤维集成到口罩过滤层中可监测呼吸频率（图6a、图6b），织入手套可感知冷热物体（图6c）。在接近传感中，交流激励下纤维周围电场随手指接近而畸变（图6d、图6e），阻抗响应呈现距离依赖性（图6f），还可通过触摸时长和间隔编码摩尔斯电码（图6g、图6h）。更进一步，团队将纤维传感器安装于机械夹爪，构建了深度学习辅助的无线物体识别系统（图7a、图7b）。抓取八种不同物体时，纤维传感器产生可区分的电阻响应曲线（图7c），经谷值检测算法分割为单次抓取波形（图7d、图7e），输入一维卷积神经网络进行分类（图7f）。t-SNE可视化显示同类物体特征紧凑聚类、不同类别良好分离（图7g），模型训练和测试准确率分别达94.4%和92.5%（图7h），混淆矩阵显示总体识别准确率达92.5%（图7i）。
图5 NB60-PUSIC纤维传感器的可穿戴应变传感性能。纤维传感器在200%–600%大应变（a）和1%–16%小应变（b）以及不同拉伸频率（c）下的相对电阻变化。（d）响应和恢复时间。（e）0%至600%拉伸应变下相对电阻变化的实时曲线。（f）纤维传感器在75%应变下经1000次拉伸/释放循环的循环耐久性。使用纤维传感器进行人体上肢运动监测，包括手指弯曲（g）、手腕屈曲（h）、肘部屈曲（i）和肩部屈曲（j）监测。（k）使用膝部安装的纤维传感器实时监测不同下肢运动，显示每种运动的独特信号响应。
图6 NB60-PUSIC纤维在呼吸监测和接近传感中的多功能传感性能。（a）集成在中间过滤层中的NB60-PUSIC纤维传感口罩示意图。（b）传感口罩在费力、深度和正常呼吸期间的电阻响应。（c）集成传感手套接触冷热物体时的传感信号。（d）用于接近传感的NB60-PUSIC纤维等效电路图。（e）使用COMSOL模拟手指在不同距离接近NB60-PUSIC纤维时电势分布的有限元模拟。（f）NB60-PUSIC纤维对不同距离手指接近和撤回的阻抗响应。（g）NB60-PUSIC纤维对静态触摸保持和低频及高频重复动态触摸的阻抗响应。（h）基于摩尔斯电码的编码触摸模式用于人机界面应用。
总结与展望
该研究开发了一种受杜仲胶启发的拓扑限域策略，成功克服了全固态离子导电弹性体直接纺丝的长期挑战。超支化纳米簇桥接拓扑将稳健共价网络与动态超分子网络集成，在保持离子传输所需链段运动性的同时实现高效应力耗散，使NB60-PUSIC同时具备13.1 MPa拉伸强度、1050%断裂伸长率和74.3 MJ m⁻³韧性，以及可编程粘弹性。限域交织网络为直接纤维纺丝提供了宽广加工窗口，所得离子导电纤维兼具高拉伸性和力学鲁棒性，并在宽应变范围内展现出可靠的多功能传感性能。该工作为可纺离子导电材料建立了结构设计原则，为可穿戴纤维电子、人机交互和智能机器人感知开辟了新机遇。