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  柔性傳感器作為柔性可穿戴設(shè)備的核心部件，在電子皮膚、人體運(yùn)動監(jiān)測和人機(jī)交互等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。水凝膠具有良好的生物相容性和力學(xué)性能可調(diào)性，已成為柔性傳感材料的研究熱點(diǎn)。

  針對大多數(shù)水凝膠在嚴(yán)寒環(huán)境下會不可避免地凍結(jié)，并伴隨著部分機(jī)械性能及導(dǎo)電性能的喪失，且靈敏度低和傳感能力單一，極大限制了水凝膠基柔性傳感器的應(yīng)用場景。湖南工業(yè)大學(xué)經(jīng)鑫教授課題組通過貽貝仿生化學(xué)和溶劑置換策略，以自聚合多巴胺還原氧化石墨烯（PDA-rGO）為導(dǎo)電填料，利用海藻酸鈉（SA）和丙烯酰胺（AM）物理和化學(xué)雙交聯(lián)制備了PDA-rGO/SA/PAM復(fù)合有機(jī)水凝膠（圖1）。

圖1. PDA-rGO/SA/PAM復(fù)合有機(jī)水凝膠的制備過程

  所得的復(fù)合有機(jī)水凝膠具有優(yōu)異的抗凍性能（-20 ℃保存24 h、-40 ℃保存3 h）、高拉伸強(qiáng)度（143.2 kPa）、且室溫下電導(dǎo)率高達(dá)19.39 mS/cm；通過具有溫度敏感性能的PDA-rGO，離子傳輸以及甘油-水二元溶劑的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了-20 ℃ ~ 60 ℃的寬溫度范圍傳感和高靈敏度。當(dāng)復(fù)合有機(jī)水凝膠組裝成柔性應(yīng)變傳感器時，具有優(yōu)異的靈敏度（ε=250%，GF=2.09）、寬廣的檢測范圍（0% ~ 250%）以及快速響應(yīng)性（響應(yīng)時間200 ms）；同時可用于監(jiān)測人體的手指彎曲、手腕彎曲，以及鼓腮、皺眉等微表情（圖2），在寬溫度范圍內(nèi)的人體健康監(jiān)測和智能可穿戴設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖2. PDA-rGO/SA/PAM復(fù)合有機(jī)水凝膠基柔性傳感器的應(yīng)用示意圖

  針對目前報道的大多數(shù)水凝膠存在無法兼顧機(jī)械性能，抗凍性能，粘合性能和自愈合性能的問題，且靈敏度低和傳感能力單一。課題組通過多重氫鍵作用、貽貝仿生化學(xué)手段以及溶劑置換策略，在弱堿性環(huán)境下，利用多巴胺自聚還原GO功能性填料、PEDOT:PSS、丙烯酰胺為原料設(shè)計并合成了多功能PDA-rGO/PEDOT:PSS/PAM復(fù)合有機(jī)水凝膠；并基于設(shè)計的多功能水凝膠開發(fā)出了具有舒適性、便攜性、可實(shí)時捕捉運(yùn)動信號的“智能手套”。（圖3）

圖3. PDA-rGO/PEDOT:PSS/PAM復(fù)合有機(jī)水凝膠的性能及應(yīng)用示意圖

  所設(shè)計的復(fù)合有機(jī)水凝膠展現(xiàn)出集可拉伸性（斷裂伸長率為1350%）、抗凍性（-40 ℃可保持24 h）、自修復(fù)性（自修復(fù)率90%）、可回復(fù)性（回復(fù)率93.8%）、粘附性（粘附強(qiáng)度10.4 kPa）于一體的多功能性，并具有較寬的溫度檢測范圍（-40 ℃~60 ℃）。當(dāng)該有機(jī)水凝膠組裝成柔性應(yīng)變傳感器時，其靈敏度GF達(dá)3.91（ε=500%）、響應(yīng)時間僅為90 ms；可準(zhǔn)確監(jiān)測手指彎曲、手腕彎曲和面部運(yùn)動等人體運(yùn)動行為，在實(shí)際應(yīng)用場景中，可貼于瑜伽運(yùn)動器材上監(jiān)測人體的上肢運(yùn)動，還可貼附于頸托上用于監(jiān)測人體頸部康復(fù)運(yùn)動（圖4）。同時，開發(fā)的“智能手套”可通過藍(lán)牙模塊將手指運(yùn)動行為的數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)绞謾C(jī)APP上，實(shí)現(xiàn)了對手指運(yùn)動行為的實(shí)時顯示和監(jiān)測（圖5）。為水凝膠基可穿戴電子設(shè)備在寬溫度范圍內(nèi)的人機(jī)交互、智能健身設(shè)備以及智能康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的研究與應(yīng)用提供了新的思路。

圖4. PDA-rGO/PEDOT:PSS/PAM復(fù)合有機(jī)水凝膠基柔性應(yīng)變傳感器在人體運(yùn)動監(jiān)測以及實(shí)際應(yīng)用場景中的應(yīng)用示意圖

圖5. 基于PDA-rGO/PEDOT:PSS/PAM復(fù)合有機(jī)水凝膠的可穿戴人機(jī)交互系統(tǒng)及應(yīng)用

  相關(guān)工作以“Freezing-tolerant, Widely Detectable and Ultra-sensitive Composite Organohydrogel for Multiple Sensing Applications”、“Ultrastretchable, Self-healable and Adhesive Composite Organohydrogels with Fast Response for Human-Machine Interface Application”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry，論文第一作者為湖南工業(yè)大學(xué)材料學(xué)碩士研究生謝智暉，通訊作者為湖南工業(yè)大學(xué)經(jīng)鑫教授。

文章信息：

  1. Zhihui Xie, Heng Li, Hao-Yang Mi, Pei-Yong Feng, Yuejun Liu and Xin Jing*. Freezing-tolerant, Widely Detectable and Ultra-sensitive Composite Organohydrogel for Multiple Sensing Application[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2021, 9(31): 10127-10137.

  https://doi.org/10.1039/D1TC02599F

  2. Zhihui Xie, Zhuo Chen, Xiangshu Hu, Hao-Yang Mi, Jian Zou, Heng Li, Yuejun Liu, Zhi Zhang, Yinghui Shang and Xin Jing*. Ultrastretchable, Self-healable and Adhesive Composite Organohydrogels with Fast Response for Human-Machine Interface Application[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2022, 10, 8266 - 8277

  https://doi.org/10.1039/D2TC00932C