传统固体漂浮物受限于固定构型、静态浮力和自愈能力不足，在复杂环境中适应性较差。相比之下，具有流动性的超分子水凝胶凭借动态配位键交联，兼具固体结构完整性与流体流变适应性。然而，配位键的动态特性常导致水凝胶在水环境中发生溶胀、溶解或力学性能衰减，且多数水凝胶缺乏足够的固有浮力以实现可控可靠的漂浮。因此，需要设计一种兼具变形性、可调浮力与环境稳定性的材料。
近日，南开大学、大连理工大学和北京航空航天大学联合团队受微囊藻（Microcystis）浮力主动调节机制的启发，提出了一种可漂浮的集成的可变形水凝胶（FISS Hydrogel）。该水凝胶兼具固体的鲁棒性和液体的适应性，可作为新一代多功能漂浮载体。
相关成果以“Floatable and Integrated Shape-shifting Hydrogel Carrier”为题发表在Advanced Materials上。第一作者为南开大学博士生赵天宏，共同通讯作者为南开大学曹墨源研究员、大连理工大学王鹏伟副教授与北京航空航天大学刘明杰教授，南开大学为第一通讯单位。相关工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持。
图1. FISS水凝胶的仿生设计与功能
作为典型的漂浮微生物，微囊藻展现出独特的生存策略。在恶劣环境条件下，微囊藻倾向于从大型菌落解离成较小的群体或单细胞，并通过囊泡调节其在水中的垂直位置。受此启发，研究人员设计了一种双交联的FISS水凝胶。纳米MgCO3颗粒的原位形成为FISS水凝胶提供了动态交联点，氨基功能化的空心微球则兼具可调浮力单元和次级交联枢纽的双重作用。与传统的刚性漂浮物不同，FISS水凝胶展现出特殊的机械特性和多样化的功能化能力，这使FISS水凝胶成为一个稳定漂浮的多功能平台。值得注意的是，该水凝胶兼容基于挤出的印刷方式，用于多种基底的图案化，并支持材料的回收以实现反复循环。此外，FISS水凝胶结合低热导率和较高的黏附性，非常适合通过打印、黏附和原位组装实现环境和物理化学应用。
图2. FISS水凝胶的变形及其作为界面屏障的应用
放置在水面上的FISS水凝胶随着时间的推移会自动形成类似“薄饼”的扁平形态。这种变形并不是材料失控流散，而是重力、浮力、弹性和表面张力共同作用的结果。当水凝胶受到扰动时系统会产生一个相抗的恢复力，使其重新回到稳定状态。在此过程中，柔性和可变形性并没有削弱漂浮稳定性，反而成为稳定机制的一部分。FISS水凝胶的上表面通过粘性捕获与致密屏障的双重机制可以实现水面抑制蒸发和污染物拦截。不仅如此，FISS水凝胶的下表面可以利用界面屏蔽效应收集水下气泡。气泡因无法穿透高度润湿的凝胶网络而被拦截形成穹顶气室。得益于粘弹性蠕变，水凝胶在气室边缘会形成动态密封环，这有利于气体的长期密封储存。另外，水凝胶的自修复能力使其可以重复多次收集、储存和转运气体。
图3. FISS水凝胶的界面黏附能力
除了可漂浮性和可变形性，FISS水凝胶还具有较强的界面黏附能力。水凝胶中的羧基和氨基可以与不同材料表面形成氢键或静电相互作用。与此同时，柔软凝胶能够填充材料表面的微纳米凹凸结构，形成类似“榫卯”的机械互锁。实验表明，这种水凝胶可以黏附在玻璃、金属、陶瓷、木材、PET塑料甚至生物组织表面。其在玻璃表面的搭接剪切强度达到968 kPa。
研究团队进一步在水凝胶中加入Fe3O4纳米粒子使其获得了磁响应能力。在外部磁场控制下，磁性水凝胶可以在水面定向巡航，也可以沉入水下，通过黏附和包裹的方式抓住目标，再依靠自身浮力将目标带回水面。只需改变水凝胶用量，就可以调节浮力从而打捞不同密度和不同形状的物体。
图4. 磁性FISS水凝胶的模块化组装与多模态驱动
FISS水凝胶可通过针头在水面被挤出成长条状，若将其首尾相接就可以形成一个漂浮的水凝胶圆环。在磁场驱动下，水凝胶圆环能够像“套圈”一样包围水面上的物体，并将其拖动到指定位置。不仅如此，研究人员在用它搬运水面油滴时发现，由于“麦片圈效应”的存在，油滴会稳定地停留在水凝胶圆环中央。在此基础上，研究团队构建了C形水上软体机器人，可以对水面油滴进行非接触式捕获、拖曳和转移。 散落在水面上的多块水凝胶还可以在磁场引导下相互靠近，并通过自黏附和自修复重新组装成一个整体。这为可重构水上软体机器人提供了一种新的设计方式：机器人不一定需要在制备过程中一次成型，也可以在水面现场寻找、捕获并组装自己的结构单元。
Fe3O4颗粒不仅具有磁响应功能，也具有较强的光热转换能力。受到光照后，磁性水凝胶会快速升温，并加热周围水体，产生向上的局部热对流。水凝胶受到水流产生的拖曳力后，可以克服重力快速上升。关闭光源后，热对流逐渐消失，水凝胶又会在重力作用下缓慢下沉。实验中，其最高上浮速度达到2.5 cm/s。
图5. 通过FISS水凝胶载体实现姿态可调界面日光蒸发器
FISS水凝胶不仅可以单独工作，也能作为其他功能材料的通用漂浮载体。研究人员将其打印在聚吡咯修饰的棉织物边缘，构建出水面太阳能蒸发器。在这一结构中，中部的聚吡咯棉负责吸收太阳光和输送水分，外围的FISS水凝胶则负责提供浮力和隔热，形成“中央供水、外围隔热”的结构。此外，通过改变水凝胶在蒸发器上的打印位置和用量，研究人员还能够重新分配装置的浮心和重心进而调节其漂浮姿态。这意味着它不必始终平躺在水面上，而是可以根据太阳入射方向调整姿态，从而提升不同光照角度下的能量利用能力。
图6.以FISS水凝胶为载体的光伏水质检测平台及其户外验证
为了验证FISS水凝胶作为通用漂浮载体的能力，研究人员进一步将其与光伏推进模块和商用水质传感器结合，构建了一套自然光驱动的水面监测平台。水凝胶底盘为电子设备提供浮力，同时也能缓冲水面波动。多个独立模块可以直接依靠水凝胶的界面黏附快速连接，就像在水面上拼装积木。与刚性小船不同，柔软底盘在遇到S形水道或狭窄通道时，可以通过弯曲和横向压缩改变外形，从障碍区域穿过，降低卡死风险。
研究团队还开发了无线传输系统，可以将pH、浊度等水质信息实时发送到手机端。在开放水域开展的户外实验中，该平台依靠自然光完成了水面巡航、设备组装、定点检测和数据传输，证明了FISS水凝胶在真实水环境中作为柔性载体的可行性。
总结：
研究人员受到微囊藻浮力主动调节机制的启发，通过引入功能性微球和动态交联体系，开发了一种仿生可漂浮水凝胶。基于功能性微球/纳米MgCO3的双交联体系使FISS水凝胶在水面上展示出了受限制流动性。得益于可变形性和可漂浮性，FISS水凝胶实现了多种界面操作，如蒸发抑制、水体保护和气泡收集等。此外，在自然环境中部署姿态可调日光蒸发器和水质监测设备，验证了FISS水凝胶的工程稳定性。
这项工作不只是制造出一种“能够漂浮的水凝胶”，更重要的是它重新定义了漂浮载体的设计逻辑。传统思路通常是先制造一个封闭、结构固定的浮体，再把功能设备或驱动装置安装上去。而FISS水凝胶采用的是另一种路线：让材料本身同时承担浮力、变形、黏合、修复、隔热和功能集成。它既是结构，也是连接件；既是浮体，也是功能材料；既能独立执行任务，也能作为其他器件的通用漂浮载体。
期刊：Advanced Materials
题目：Floatable and Integrated Shape-shifting Hydrogel Carrier
作者：Tianhong Zhao，Moyuan Cao，Muqian Li，Haoyu Bai， Ruoqiao Han，Xinsheng Wang，Yifan Liang，Zequn Li，Heng Jin，Pengwei Wang， Mingjie Liu
接受日期：8 July 2026
原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.74200
