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  口香糖 (chewing gum)是世界上最古老的糖果之一。考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)，早在有歷史記載以前，人類的先輩就愛咀嚼天然樹脂 (resin)，從中取樂，這是最原始的“口香糖”。口香糖在咀嚼過程中，既能清潔口腔和牙齒，還能通過咀嚼帶動面部肌肉運(yùn)動，同時(shí)在認(rèn)知學(xué)領(lǐng)域也具有多重功效。但如果吐在地上、地毯上和粘在衣物上就會粘染灰塵和細(xì)菌，并且難以清除掉。有報(bào)道2002年國慶節(jié)長假過后，天安門廣場留下了十幾萬口香糖的痕跡，平均每塊方磚粘有十幾塊口香糖，因怕?lián)p壞方磚，只能采用人工鏟除的方法，上百名環(huán)衛(wèi)工人用了整整一個(gè)星期才將口香糖痕跡清除，為了口腔文明卻丟了“文明”。

  近年來，隨著各類柔性可穿戴傳感器蓬勃發(fā)展，可穿戴類電子產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛用于各種人體運(yùn)動信號的檢測，但是目前絕大多數(shù)已知的傳感器是很難兼具實(shí)現(xiàn)大規(guī)模低能耗制備和長期無毒害穩(wěn)定性使用，與此伴隨而來的問題是大量的資源浪費(fèi)以及造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。近期，東華大學(xué)武培怡教授課題組另辟蹊徑，提出了一種利用咀嚼后的口香糖在 6 M NaCl或食用鹽水溶液中進(jìn)行固定方向多次拉伸的方法來制備電容式可穿戴傳感器。整個(gè)制備過程是綠色無污染，低能耗且可在家庭廚房里輕松實(shí)現(xiàn)，同時(shí)使得小小廢棄物有了華麗大轉(zhuǎn)變。

  此前，武培怡教授課題組報(bào)道了一系列水凝膠和彈性體材料用以模擬生物皮膚組織的力學(xué)、傳感、和刺激響應(yīng)特性：實(shí)現(xiàn)了離子皮膚的自修復(fù)特性 (Adv. Mater.2017, 29, 1700321)、雙模式感知及廣譜可調(diào)的力學(xué)性質(zhì)的 (Nat. Commun.2018, 9, 1134)、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)的同步響應(yīng) (ACS Nano, 2018, 12, 12860-12868), 集成溫度、濕度、應(yīng)力、和應(yīng)變的多重感知功能的離子皮膚 (Mater. Horiz.2019, 6, 538-545), 提出分子協(xié)同策略優(yōu)化了本征可拉伸導(dǎo)體的力學(xué)性能以及實(shí)現(xiàn)對液體分子的感知功能等(Nat. Commun. 2019, 10, 3429), 以及可食用面團(tuán)離子皮膚傳感器(Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1908018).

  本工作為響應(yīng)國家“十四五”戰(zhàn)略規(guī)劃的號召，解決傳統(tǒng)傳感器制備過程中高能耗和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展之間的矛盾, 而開發(fā)的一款可低成本大規(guī)模制備和可重復(fù)使用的可穿戴傳感器。通過將咀嚼后的口香糖在 6 M NaCl或食用鹽水溶液中進(jìn)行拉伸來制備電容式傳感器。相關(guān)工作以“Recycled Iontronic from Discarded Chewed Gum for Personalized Healthcare Monitoring and Intelligent Information Encryption”為題近期發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (2021, doi.org/10.1021/acsami.1c00402)上。由于口香糖具有獨(dú)特的任意可塑特性，可輕松在任意表面被緊密貼合(圖1)。

圖1. 可回收再利用的口香糖/NaCl傳感器的制備，具有超強(qiáng)的可任意塑性(d-i)和貼合能力(j-k)。

  結(jié)合平行板電容器設(shè)計(jì)理念，他們構(gòu)建了一種三明治式口香糖/NaCl傳感器，其受到拉伸時(shí)具有線性穩(wěn)定的應(yīng)變-電容響應(yīng)靈敏度，在一定壓力范圍內(nèi)，具有可逆的靈敏的壓力-電容響應(yīng)。將口香糖/NaCl傳感器貼在木上，可以實(shí)現(xiàn)對連續(xù)不同彎曲動作的靈敏檢測。

圖2. 口香糖/NaCl傳感器電容響應(yīng)機(jī)理示意圖及在假肢規(guī)律運(yùn)動時(shí)檢測效果。

  將口香糖/NaCl傳感器貼在人體上，也可以實(shí)時(shí)感知人身體的微小的情緒變化及喝水動作、手指彎曲、行走動作和腳踝彎曲等。同時(shí)傳感器電容受外界環(huán)境 (20-90 RH%, 20-90 ℃) 影響較小。將NaCl換為可食用鹽后，新傳感器仍具有對應(yīng)變有著超快響應(yīng)能力 (<300 ms)，他們的口香糖/食用鹽傳感器在制備價(jià)格和可重復(fù)利用性方面有著非常大的優(yōu)勢和競爭力 (圖 3i)。

圖3. 口香糖/NaCl傳感器在人體實(shí)際運(yùn)動信號上的檢測效果。

  此外，他們設(shè)計(jì)的這款傳感器憑借優(yōu)異的信號可重復(fù)性和穩(wěn)定性，通過手指規(guī)律性彎曲傳感器，控制彎曲角度可實(shí)現(xiàn)對信息進(jìn)行加和傳輸。這種方法保證了信息加密的安全性，在一定程度上可以防止信息泄露。通過這種方法可傳達(dá)“I LOVE FDU”這樣的愛情密語。

圖4. 口香糖/食用鹽傳感器作為信號發(fā)射器對信息進(jìn)行Morse code轉(zhuǎn)碼加密傳輸。

  作者利用咀嚼后的口香糖和NaCl (食鹽水) 制備了一款可在實(shí)驗(yàn)室或廚房中大規(guī)模制備低成本, 無污染和可重復(fù)再利用的傳感器。其制備過程是綠色、無污染和低能耗的。該傳感器具有高可塑性，可用于連續(xù)實(shí)時(shí)檢測人體信號，以及基于Morse code原則實(shí)現(xiàn)對重要信息進(jìn)行加密、保存和傳輸。這種傳感器設(shè)計(jì)理念為研究者們在下一代智能可穿戴傳感器制備材料選擇上提供了一種新思路，以及拓寬了傳感器在個(gè)性化的人體健康檢測和信息加密傳輸方面的應(yīng)用。

  該課題得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目 (51733003) 和國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目 (21674025) 等項(xiàng)目的資助與支持。復(fù)旦大學(xué)高分科學(xué)系、聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生程寶昌為文章第一作者，通訊作者為武培怡教授。

  論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1021/acsami.1c00402