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  柔性傳感器被廣泛應(yīng)用于溫度、應(yīng)變/應(yīng)力、心電信號(hào)（ECG）等的監(jiān)測(cè)，在人體健康和運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)等方面有非常重要的前景。薄膜傳感器——包括離子導(dǎo)電水凝膠的薄膜傳感器——能與皮膚共形、無(wú)感貼合，界面阻抗小，利于獲得高質(zhì)量的信號(hào)監(jiān)測(cè)，使其適用于連續(xù)監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)期佩戴的場(chǎng)景，如智能穿戴設(shè)備和醫(yī)療監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。然而，大多數(shù)水凝膠薄膜力學(xué)性能較差，表面積大，易失水，低溫下易結(jié)冰，導(dǎo)致機(jī)械性能和傳感性能喪失。研究和開(kāi)發(fā)強(qiáng)韌、抗失水、抗凍的薄膜水凝膠傳感器，是推動(dòng)其在柔性可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。

圖1 基于互穿網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的復(fù)合有機(jī)水凝膠

  聚氨酯與水凝膠的模量差異較大，其互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可有效避免裂紋尖端的應(yīng)力集中，呈現(xiàn)裂紋尖端鈍化現(xiàn)象（圖3a-c）。通過(guò)比較有機(jī)水凝膠、聚氨酯膜及復(fù)合水凝膠的斷裂能發(fā)現(xiàn)，復(fù)合有機(jī)水凝膠的斷裂能大幅提高，達(dá)到10000 J/m²（圖3d），與橡膠的斷裂能相當(dāng)。經(jīng)過(guò)1000次重復(fù)拉伸（50%應(yīng)變）后，裂紋的寬度幾乎保持不變（圖3e），表明互穿網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)能夠有效地抵抗裂紋擴(kuò)展。

  復(fù)合有機(jī)水凝膠薄膜傳感器具有良好的抗失水性及機(jī)電響應(yīng)魯棒性。柔軟的薄膜能夠與人體皮膚緊密共形貼合且同步變形，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，薄膜具有良好的透氣性（1200 g/m²/day），大于人體皮膚通常的排汗速度，利于保持界面干爽，避免濕氣累積導(dǎo)致的不適感。

圖5 薄膜傳感器應(yīng)用于全天候膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。

  該研究利用靜電紡絲納米網(wǎng)與水凝膠互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)解決了超薄膜凝膠傳感器機(jī)械性能差的難題，結(jié)合抗凍、抗失水技術(shù)，為研究開(kāi)發(fā)透氣、超強(qiáng)韌、長(zhǎng)期穩(wěn)定的超薄膜應(yīng)變傳感器提供了新的思路，有望推動(dòng)超薄膜柔性傳感器在人機(jī)界面、類(lèi)人機(jī)器人、可穿戴/可植入柔性電子器件方面的應(yīng)用。

  該項(xiàng)研究以“Breathable Ultra-thin Film Sensors Based on Nanomesh Reinforced Anti-dehydrating Organohydrogels for Motion Monitoring”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials。文章的第一作者是中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2022級(jí)碩士研究生朱燦杰，付俊教授和中國(guó)散裂中子源楊華博士為共同通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然基金（22375225）的支持。

  全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202411725