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江西科技師范大學(xué)盧寶陽/南科大劉吉 AFM：用于水下機器人的抗疲勞導(dǎo)電聚合物水凝膠應(yīng)變傳感器

2023-07-15 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：抗疲勞導(dǎo)電聚合物水凝膠應(yīng)變傳感器水下機器人

近年來，高靈敏度柔性應(yīng)變傳感器因其在軟體機器人、醫(yī)療保健、智能可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的巨大前景而引起了極大的關(guān)注。然而，現(xiàn)有柔性應(yīng)變傳感器通常受限于運作環(huán)境，例如含水環(huán)境（出汗、水下操作等）會削弱傳感系統(tǒng)的靈敏度和可靠性，甚至引發(fā)器件功能故障。導(dǎo)電聚合物水凝膠具有獨特的柔軟性、優(yōu)良的應(yīng)變傳感性能和機械魯棒性有望成為新一代應(yīng)變傳感器的核心元件。然而，當(dāng)前導(dǎo)電聚合物水凝膠的力學(xué)性能，尤其是在長期應(yīng)變下的抗疲勞性能（疲勞閾值低于100 J m^-2）仍難以滿足多循環(huán)機械載荷應(yīng)用中的需求。因此，開發(fā)具有優(yōu)異抗疲勞性能的導(dǎo)電聚合物水凝膠，有望解決當(dāng)前水下應(yīng)變傳感系統(tǒng)目前面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

近日，江西科技師范大學(xué)盧寶陽教授團(tuán)隊與南方科技大學(xué)劉吉教授團(tuán)隊合作在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表文章《Fatigue-resistant Conducting Polymer Hydrogels as Strain Sensor for Underwater Robotics》，報道了一種簡單而通用的策略來設(shè)計與制造具有優(yōu)異抗疲勞性能的導(dǎo)電聚合物水凝膠。所開發(fā)的導(dǎo)電聚合物水凝膠在1%-300%的應(yīng)變下具有非常優(yōu)異的應(yīng)變-傳感性能，可以用于水下機器人運動的實時監(jiān)測。

圖1. DFS PEDOT:PSS-PVA抗疲勞導(dǎo)電聚合物水凝膠設(shè)計原理。

該團(tuán)隊選用聚乙烯醇（PVA）和商業(yè)化導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS作為制備導(dǎo)電聚合物水凝膠的材料，通過定向冷凍輔助鹽析策略（DFS）制備有序排列的各向異性抗疲勞PEDOT:PSS-PVA導(dǎo)電聚合物水凝膠（圖1）。將聚合物組分轉(zhuǎn)移到特制的模具中進(jìn)行單向定向冷凍處理，使聚合物組分形成有序排列的各向異性結(jié)構(gòu)，然而低結(jié)晶度導(dǎo)致單向定向冷凍水凝膠力學(xué)性能較差。進(jìn)一步將PEDOT:PSS-PVA水凝膠浸入到檸檬酸鈉溶液中，利用霍夫邁斯特效應(yīng)誘導(dǎo)PVA網(wǎng)絡(luò)的相分離和結(jié)晶，從而使水凝膠增韌。由于其獨特的有序納米纖維結(jié)構(gòu)和高結(jié)晶度，DFS PEDOT:PSS-PVA導(dǎo)電聚合物水凝膠能夠承受各種形式的機械變形和負(fù)載（超過自身重量10,000倍），并且在平行取向上的疲勞閾值能夠達(dá)到300 J m^-2以上（圖2）。在30,000次連續(xù)循環(huán)拉伸過程中，裂紋依然沒有拓展，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞特性。

圖2. DFS PEDOT:PSS-PVA導(dǎo)電聚合物水凝膠的各向異性抗疲勞性能。

DFS PEDOT:PSS-PVA水凝膠制備的應(yīng)變傳感器在微小變形(1%-10%)和大變形(10%-300%)內(nèi)均表現(xiàn)出明顯的電阻變化；同時，在0%-300%應(yīng)變范圍內(nèi)逐步加載和卸載過程中的響應(yīng)時間為130 ms，無明顯遲滯現(xiàn)象。DFS PEDOT:PSS-PVA水凝膠應(yīng)變傳感器的靈敏度（GF）在0%-150%應(yīng)變范圍內(nèi)為0.6、150%-250%應(yīng)變范圍為1.29、250%-300應(yīng)變范圍為3.93。10,000圈應(yīng)變傳感測試中，DFS PEDOT:PSS-PVA水凝膠應(yīng)變傳感器依舊維持穩(wěn)定，顯著優(yōu)于前期已報道的各類水凝膠應(yīng)變傳感器（圖3）。

圖3. DFS PEDOT:PSS-PVA導(dǎo)電聚合物水凝膠的應(yīng)變-傳感性能。

該團(tuán)隊進(jìn)一步將DFS PEDOT:PSS-PVA水凝膠應(yīng)變傳感器集成到水下機器魚側(cè)部作為關(guān)鍵承載元件和運動監(jiān)測傳感器（圖4），在機器魚游泳過程中，水凝膠經(jīng)歷周期性的拉伸和收縮（能量釋放率為168 J m^-2），在游泳16小時后，超過100,000次循環(huán)后沒有檢測到任何裂紋擴(kuò)展，證實了水凝膠作為水下應(yīng)變傳感器的長期可靠性。機器魚兩側(cè)的PEDOT:PSS-PVA水凝膠可以作為獨立的傳感單元對機器人運動過程進(jìn)行實時監(jiān)測并對機器人的運動模式進(jìn)行識別。

圖4. DFS PEDOT:PSS-PVA導(dǎo)電聚合物水凝膠作為水下機器人的承重部件和傳感器功能演示。

江西科技師范大學(xué)碩士生張志琳、南方科技大學(xué)碩士生陳廣大、博士生薛羽為論文共同第一作者，劉吉副教授和盧寶陽教授為通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、江西省柔性電子重點實驗室、深圳市科技創(chuàng)新委員會和廣東省基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究等基金項目的資助。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202305705

招聘信息

江西科技師范大學(xué)盧寶陽團(tuán)隊招聘事業(yè)編科研崗博士年輕教師，有意者請將個人簡歷（pdf）等相關(guān)材料發(fā)送至luby@jxstnu.edu.cn郵件標(biāo)題請注明“姓名+畢業(yè)學(xué)校”，期待您的加盟！

盧寶陽教授簡介：山東大學(xué)博士、麻省理工學(xué)院博士后、上海交通大學(xué)訪問學(xué)者。主要致力于導(dǎo)電聚合物新材料研發(fā)、先進(jìn)加工制造技術(shù)、器件集成及應(yīng)用等研究。“江西青年五四獎?wù)隆鲍@得者，入選省“雙千計劃”科技創(chuàng)新高端人才項目、省主要學(xué)科學(xué)術(shù)與技術(shù)帶頭人培養(yǎng)計劃、省杰出青年人才資助計劃、省“百人遠(yuǎn)航工程”。獲省自然科學(xué)一等獎1項、省高�？萍汲晒坏泉�2項。以第一、共一或通訊作者在Nature Materials、Nature Reviews Materials、Nature Communications、Advanced Materials等發(fā)表SCI收錄論文80余篇；申請美國、中國發(fā)明專利30余項，授權(quán)發(fā)明專利20余項。課題組更多信息請看：https://www.x-mol.com/groups/lu_baoyang

劉吉副教授及團(tuán)隊簡介：劉吉博士于2019年9月加入南方科技大學(xué)獨立建組，任博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域為軟材料的極限性能設(shè)計、仿生軟材料、界面粘合、軟材料3D打印以及功能軟材料在組織工程上的應(yīng)用等。近年來，在Science Advances，Nature Communications，PNAS，Advanced Materials，Advanced Functional Materials等期刊上發(fā)表文章50余篇。先后獲得國家級青年人才項目(2020)、《麻省理工科技評論》中國區(qū) “35歲以下科技創(chuàng)新35人” (2020)、珠江人才引進(jìn)高層次人才青年項目(2020)、深圳市海外高層次人才(2020)、日本高分子協(xié)會青年學(xué)者獎(2017)、瑪麗居里學(xué)者(2015)等榮譽。課題組更多信息請看：http://faculty.sustech.edu.cn/liuj9/

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（責(zé)任編輯：xu）

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