文章亮点
本论文系统梳理具身智能高分子材料的最新前沿进展，围绕“材料即智能体”的核心理念，从基体、感知、驱动、自修复、能量管理、环境交互和生物融合七个维度，阐述高分子材料在具身智能领域中的关键作用和优势。文章揭示高分子材料通过结构设计与功能集成，可实现“感知—决策—响应一体化”的内在机制，为发展新一代高适应性智能系统提供重要的科学基础。
文章重要内容
高分子材料因其具备独特的可设计性、柔性和响应性等智能属性而成为各类智能体所需的理想载体，且高分子材料智能化发展正在为具身智能领域提供关键的物质基础和技术支撑。本文从基体材料、感知系统材料、驱动与运动控制材料、自修复与适应性材料、能量收集与存储材料、环境交互与适应性伪装材料、生物高分子融合驱动材料等7方面介绍了高分子材料的智能化发展及其在具身智能领域中的应用。
文章背景
第四次工业革命正以前所未有的速度重塑全球经济结构与产业版图。在这场深刻的变革浪潮中，智能材料与具身智能作为引领未来的两大核心驱动力，正携手开启一场科技革命的新篇章。具身智能材料（embodied intelligent materials，简称EIM）是指具备感知、计算、驱动和自适应等功能，或将这些功能嵌入材料结构中，使其能够感知外界环境变化并自主调节性能实现自主响应效果的新型材料系统。这类材料直接将自主响应能力内化于结构中，使材料本身或其集成体具有环境感知能力、自主决策能力、动态响应能力及能量自治能力等，从而实现“智能体即材料”的终极目标。高分子材料因具备独特的结构设计性、分子柔性和对外界环境响应性等性能而成为具身智能领域中各类智能体所需的理想材料。因此，高分子材料在EIM中的应用已成为当前材料科学和人工智能交叉领域的研究热点。具身智能高分子材料根据其功能和应用场景可分为7类：基体材料、感知系统材料、驱动与运动控制材料、自修复与适应性材料、能量收集与存储材料、环境交互与适应性伪装材料、生物−高分子融合驱动材料。
文章概述
1 基体材料
高分子及其复合材料具备轻质高强、优异的柔韧性和耐久性等特点，并且通过改性技术能够实现柔性驱动、环境自适应以及智能响应等先进功能，使其与具身智能应用场景的需求高度匹配，现已逐渐发展成为该领域的核心材料。用于该领域的高分子材料有：超高分子量聚乙烯（UHMWPE）、聚醚醚酮（PEEK）、聚酰胺（PA）、液晶高分子聚合物（LCP）、环烯烃聚合物（COC/COP）、生物可降解高分子材料等。例如：威格斯、世索科等企业已将PEEK材料应用于机器人关节模组的设计，通过优化机械性能提升机器人的运动精度与耐用性。特斯拉Optimus-Gen2人形机器人已采用PEEK实现减重10公斤并提升30%行走速度。透明的聚酰胺材料用于人形机器人面罩，兼具轻量化与透明度优势。其共聚材料在存储器连接器中应用，可提升信号传输得稳定性。部分型号的聚酰胺材料还可替代金属用于齿轮、轴承等耐磨结构件，具有耐高温和耐油特性且成本更低。国内金发科技股份有限公司已经成功开发出了应用于机器人产品的PEEK、PA66、LCP等高性能工程材料的相关产品，极大地推动了具身智能领域的快速发展。
2 柔性传感器与感知系统材料
高分子材料因具有柔韧性、可塑性及可调的电学特性等性能可用作柔性基底或敏感层材料，赋予智能体环境感知能力。用于该领域的高分子材料有导电高分子材料、离子凝胶/水凝胶材料、介电弹性体材料等。
导电高分子材料的智能响应主要基于其电化学活性，常用于柔性形变传感器、压力传感器制备的导电高分子材料有聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）等。以柔性和透明的聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基材，二维过渡金属碳/氮化物（MXene）、PPy和羟乙基纤维素（HEC）复合材料作为导电填料，制备的柔性、可拉伸和可弯曲应变传感器可用于检测人体生理活动，在测量外部应变变化和实时运动监测方面表现出优异的性能，其作用机制如图1所示。
图1 导电高分子材料智能响应的作用机制。(a) 实验测试设备的示意图；(b) 可弯曲应变传感器的制作流程；(c) 传感器贴合于人体的示意图及敏感材料的结构示意图；(d) 拉伸过程中微裂纹变化的示意图；(e) 手腕脉搏（插图显示了贴附在某人手腕上的应变传感器）；(f) 单个脉搏的放大视图；(g~i) MXene/PPy/HEC应变传感器在检测人类关节弯曲时的响应：肘部、手指和手腕 (2023 American Chemical Society版权许可)
离子凝胶是由离子液体和聚合物网络构成的独特结构，结合了离子液体的离子电导率、热稳定性、可调的力学性能和宽的电化学窗口与聚合物网络的柔韧性和刺激响应性。北京大学研究团队将MXene引入聚丙烯酸（PAA）/聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）:聚苯乙烯磺酸钠（PEDOT:PSS）水凝胶网络中制备的柔性应变传感器可用来监测人体的各种运动和识别各种笔迹，显示出在可穿戴电子产品中的巨大应用潜力。
介电弹性体是一类在外电场驱动下能显著改变自身形状尺寸，待外电场刺激撤消后，可恢复原始形状的材料，其具有结构简单、响应迅速、形变量大、能量密度高等优点，在微型驱动器、人工肌肉、机器人等领域得到广泛应用。浙江大学研究团队借鉴深海蜗牛鱼的结构设计出的一种硅树脂介电弹性体材料用于软体机器鱼中，使其在马里亚纳海沟10900米的深度成功实现了自供电驱动和自由游动。
3 驱动与运动控制材料
这类材料可通过外部刺激（热、光、电等）产生形变或运动，精准模拟生物肌肉的复杂功能，为机器人的自主行动与精细操作提供动力源泉，是实现具身智能更高层次发展的关键所在。用于该领域的高分子材料有形状记忆高分子材料（SMP）、液晶弹性体（LCE）、电活性聚合物（EAP）等。 SMP作为典型的热响应驱动材料，具备独特的记忆功能，可用于制备具有变形功能的结构部件。例如，采用SMP制造的具有温度响应可折叠机械臂或关节结构的自展开机器人，可实现低温时折叠收纳，高温时恢复原状并投入工作。除SMP外，热响应还原氧化石墨烯具有热响应电活性，可用于制备具有热响应电活性的电极。该材料在温度变化时会产生电活性响应，可应用于智能传感器和执行器，其形状记忆机制如图2所示。
图2 EUG/PCL SMPs 形状记忆机制的示意图 (2024 American Chemical Society版权许可) LCE是一种将液晶基元和柔性高分子通过交联形成的网状柔性高分子材料，在外界光刺激下，能发生可逆的宏观形变（如收缩、旋转等），撤去刺激后又可恢复原状，常被用于制备具有蠕动与爬行能力的软体机器人，是光响应驱动材料的重要代表之一。例如，通过利用偶氮苯基团对液晶弹性体进行改性，使其在紫外光的驱动下能够引发分子发生顺反异构化反应，从而实现高达40%的可逆形变。由该弹性体制备的自主微型机器人，能够在光刺激下精确地控制其运动方向，从而具备病灶部位定点递送药物的能力。
EAP是一类典型的电响应驱动材料，可以在电场作用下实现快速形变达到模拟肌肉收缩的聚合物。例如：采用丙烯酸酯/硅胶和碳纳米管电极制备的介电弹性体驱动器（DEA），在千伏电压下可做到超过300%应变和100 Hz频响，在用于仿生扑翼飞行器的制造中，可实现通过电场强度和频率变化精确控制其起飞、飞行和降落等动作。
4 自修复与适应性材料
这类材料结合仿生设计与动态化学键技术赋予了智能体类似生物组织的自我修复能力，在极端环境修复、智能响应和多功能集成方面展现出了巨大的应用潜力。用于该领域的高分子材料有可逆非共价键聚合物、可逆动态共价键聚合物等。
可逆非共价键聚合物是聚合物链之间主要通过可逆的非共价键相互作用（氢键、金属配位键、主客体作用及π-π堆积等）连接，形成动态三维网络的一类聚合物，具有快速响应、多次重复、环境友好等优势。其特点是外部刺激（热、光、pH等）可以可逆地破坏或重建非共价键网络，从而实现材料的自修复或作出响应。新加坡国立大学研究团队通过两性离子聚合物网络与铋离子的动态配位，构建分级可逆非共价相互作用多功能水凝胶（COMBIA），其作用机制示意图如图3所示。该水凝胶具有卓越的综合机械性能、导电性、光学透明度、耐冻性、黏附能力以及电自愈能力，使其具有卓越的形状适应性、皮肤般的感知和能量收集能力等特性，可用于下一代人机界面和智能机器人领域。虽然可逆非共价键聚合物在自修复的柔性传感器、导体和软体机器人驱动器等方面有较好的应用前景。
图3COMBIA水凝胶的制备过程。(a) 制备COMBIA溶液，(b, c) 通过光聚合方法实现从液态混合物向固态自支撑水凝胶的转变；(d) COMBIA结构内主要分子相互作用。(e) 将2 mm厚的COMBIA水凝胶薄膜（尺寸：4 cm × 5 cm）置于盛开花朵上；(f) COMBIA水凝胶原始状态（λ=1）与高度拉伸状态（λ=51）的照片；(g) COMBIA水凝胶承载0.5 kg砝码的演示；(h) 不同温度下COMBIA水凝胶的电导率；(i) COMBIA水凝胶在拉伸程度增加时，其LED亮度随之变化；(j) 水凝胶薄膜导体在轴向拉伸过程中的电阻变化；(k) 在25~500 mm/min的不同运动速度下，感知周期性拉伸—释放过程中的信号；(l) 采用五枚黏附式COMBIA水凝胶电子皮肤传感器实现手势的多通道监测 (2025 Amer. Assoc. Advancement Science版权许可)
可逆动态共价键聚合物是一类含有动态共价键（如Diels-Alder反应、二硫键交换、亚胺键交换、酯交换、动态脲键、硼酸酯键等）的聚合物，其具有动态可逆性和外部刺激响应性。当材料出现损伤或微裂纹时，外部刺激（如热、光等）可激活内部动态共价键的断裂与重组机制，进而自发修复损伤，实现材料的自修复。相较于非共价相互作用，动态共价键更稳定，且力学强度更高。四川大学研究团队构建了动态共价聚二硫网络和非共价多重氢键共存体系的动态超分子无溶剂粘合剂材料实现了具有温度响应下优异的黏附/脱黏性能，在损伤后通过氢键、Diels-Alder反应等实现自修复，可用于制备自修复密封胶用于机器人关节。
5 能量收集与存储材料
高分子材料在能量收集与存储方面展现出独特优势，可帮助智能体从环境中获取能量，实现自给自足，为具身智能的发展提供源源不断的动力。这也是具身智能领域中机器人实现自主运行的关键。用于该领域的高分子材料有摩擦电纳米发电机（TENG）、柔性电池/超级电容器等。
TENG是一种基于摩擦起电效应的能量收集装置，利用2种不同高分子材料之间的摩擦电荷转移将机械能转化为电能，如聚四氟乙烯（PTFE）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等，其作用机制如图4所示。这种装置的响应机制通过主动管理内部电荷行为，实现了电能输出的精确控制，同时其智能单元采用高度集成化的设计，将发电、传感与结构功能融为一体，显著提升了设备的多功能性和适应性。TENG在与其他能量收集装置（如太阳能电池、热电发电机等）集成后可实现多种能量源的综合利用，进一步有效提高其能量转换效率和输出功率，确保具身智能设备实现高效的自给自足模式的能源供应。
图4 摩擦电纳米发电机作用机制图。(a) TENG-离子凝胶系统，由TENG单元和离子凝胶单元组成；(b) TENG−离子凝胶系统的侧视图及其对应的RC电路 (2018 Elsevier BV版权许可) 柔性电池/超级电容器是一种利用柔性高分子电解质与电极材料制备的，具备良好柔韧性和可穿戴性的储能设备，可为智能服装、电子皮肤等可穿戴设备提供持久电力能源。其中的电极材料能够在机械变形时保持良好的性能，而介质层通过纳米级别的设计实现高效的离子和电子传导。进一步地，可通过对多层结构和微纳米尺度进行优化设计，使其能够在外界环境变化下表现出自修复和适应能力。应用于柔性传感器和微型执行器的PEO超级电容器能够在短时间内存储和释放大量电能，其充放电速度较传统电池快数倍，且循环寿命更长，特别适用具身智能设备在复杂环境下需要快速响应的使用。6 环境交互与适应性伪装材料这类材料是基于物理化学作用感知环境变化作出响应实现污染防治与生态调控并达到与环境的动态交互实现隐蔽伪装作用的材料体系。用于该领域的高分子材料有变色高分子材料、疏水/吸湿高分子材料等。
变色高分子材料是一类在外界刺激（如电场、温度、光等）驱动下产生响应而发生可逆的颜色变化的功能型高分子材料，其具有可逆性、颜色记忆和可重复使用性等特点。变色高分子材料的智能核心在于其分子或纳米尺度上含有可逆的光异构基团、共轭生色团、变色高分子材料光子晶体结构、特异性识别位点、给体-受体对等响应性单元。北京大学研究团队研究了一种具有高度温度敏感结构色、光敏色素色和逐级可调荧光色的聚合物稳定胆甾型液晶(PSCLC)体系，其作用机制如图5所示。所制备的胆甾型液晶（CLCs）可在接近室温的3℃范围内，可逆地将结构色从红色转变为蓝色，并展现出可逐步调节的荧光特性，可从蓝色渐变为粉红色，最终转变为鲜红色。基于此，该研究成功地将动态结构色、色素色及荧光色组合在同一体系中，而且这些动态信息可编程和定制。通过使用“八卦”光掩模可轻松实现数十万（>5.4×105）图案组合。
图5 PSCLC系统的示意图，其结构色对温度高度敏感，同时包含光敏颜料和荧光色。(a) 热致变色反射模式；(b) 荧光分子异构化和FRET效应；(c) 光致变色发射模式 (2025 Wiley-VCH版权许可)超疏水材料一般可通过在粗糙表面修饰低表面能物质或在疏水材料表面构筑粗糙结构制备，其具有自清洁效果，可轻松带走材料表面污染物。超疏水涂层已被用于防冰、防雾及金属材料的防腐等领域。江南大学研究团队设计了一种基于Ti3C2Tx MXene材料的多功能、可穿戴超疏水智能织物。该智能织物在潮湿、酸碱等极端环境下具有良好的电学稳定性，能够识别人体不同运动状态下的呼吸信号和监测人体的睡眠状态，同时能以电/光热的方式对身体提供热能以及作为电磁屏蔽材料阻挡电磁波带来的辐射伤害，在健康防护领域应用前景广阔。
7 生物−高分子融合驱动材料
生物−高分子融合驱动材料是生物分子与高分子材料相结合的一类新型功能材料，通过生物分子的特异性驱动能力（如ATP水解、光响应）实现可控运动或能量转换。其中生物来源组分包括蛋白质、DNA或活体细胞。生物−高分子融合驱动材料结合了生物组分和合成组分两者的优势，赋予材料一些新的性能或功能，在清洁能源生产、环境检测及生物可穿戴设备制备等方面得到应用。哈尔滨工业大学团队以生物分子马达F0F1-ATP合酶为动力基元，利用层层自组装技术构建了超分子胶体马达。该体系在消耗ATP时能实现微米级组装体的连续旋转运动，为仿生机器设计提供了新思路。进一步将色素团囊泡与ATP合酶结合，通过协同驱动机制模拟细胞内的能量转换过程，推动材料在纳米至微米尺度的运动。
综上所述，高分子材料在具身智能领域已得到良好应用与推广，为具身智能提供了重要的材料基础和技术支撑，推动具身智能相关产业快速发展。未来，高分子材料智能化的快速发展将进一步促进具身智能领域向更智能化、高性能化、环境自适化、轻量化及集成化的方向发展。同时，AI技术的发展也将进一步驱动高分子材料智能化的快速发展。随着材料科学、智能制造和人工智能的深度融合，越来越多的高分子材料将在智能感知、环境交互、自适应执行及可持续发展等方面应用并发挥更大的作用，全面推动具身智能产业的提升和促进应用领域的快速拓展。
本文作为封面文章，系统综述了上述相关研究工作，成果已正式发表于《高分子通报》2026 年第 3 期。论文第一作者为浙大宁波理工学院材料科学与工程学院教学副院长闫红强教授，通信联系人为浙大宁波理工学院材料科学与工程学院院长、高分子物理课程前负责人方征平教授。欢迎大家关注阅读！
封面说明
本封面以“具身智能高分子材料”为核心主题，通过融合具象形态与抽象功能视觉元素，系统呈现高分子材料在具身智能体系中的多重角色与应用路径。封面中间以人形轮廓为主体，象征具身智能的基本形态；其内部交织的网络光点，喻示信息感知的内在机制。
人形周围环绕的七个气泡，对应文中的基体材料、感知系统、驱动控制、自修复、能量管理、环境交互及生物融合七个部分。气泡自下而上逐渐变大，暗合从基础材料向高阶应用的逐级演进，体现结构与功能一体化的设计理念。
整体视觉为深蓝基调，营造未来前瞻的氛围，与此同时融入透明质感与柔性结构等元素，确保科学性基础上也进一步提升了视觉的艺术表现。所设计的封面展现高分子材料在具身智能发展中的关键作用，传递对人机协同及人文融合的深层关切，彰显高分子科学推动社会进步的重要价值。
通信联系人
方征平，教授，博导。分别于1983年、1986年获复旦大学化学专业学士和高分子专业硕士学位。曾任杭州大学化学系副主任、浙江大学高分子复合材料研究所所长，现任浙大宁波理工学院材料科学与工程学院院长。长期从事高分子共混与复合材料和火安全高分子材料研究，承担各类研究项目40余项，出版《高分子物理》（中英文双语）、《高分子物理教程》、《碳纳米填料阻燃聚合物》等教材与专著8部（章），发表论文400余篇，获授权发明专利70余件，入选Elsevier全球前2%顶尖科学家和ScholarGPS全球高排名学者榜单。兼任浙江省塑料工程学会荣誉理事长，《Journal of Applied Polymer Science》、《复合材料学报》编委。
引用本文
闫红强 , 谢东梅 , 夏衍 , 邓萌 , 方征平. 具身智能高分子材料. 高分子通报 , 2026, 39(3), 415–437.
Yan, H. Q.; Xie, D. M.; Xia, Y.; Deng, M.; Fang, Z. P. Embodied intelligent polymer materials. Polym. Bull. (in Chinese), 2026, 39(3), 415–437.
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/Aa_amDSwma5VxdWaWlveqg
