近年來,可穿戴柔性電子設(shè)備快速發(fā)展,在運(yùn)動監(jiān)測、醫(yī)療康復(fù)和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。可拉伸導(dǎo)電水凝膠以其優(yōu)異的柔韌性和靈敏的檢測性被認(rèn)為是理想的柔性傳感器選擇之一。然而,目前報(bào)道的導(dǎo)電水凝膠傳感器存在著應(yīng)變檢測區(qū)間有限、靈敏度低、力學(xué)性能不足的問題,這些問題的存在嚴(yán)重影響了導(dǎo)電水凝膠傳感器的進(jìn)一步發(fā)展。此外,傳統(tǒng)可穿戴柔性傳感器的檢測受限于檢測設(shè)備的束縛,無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有望與可穿戴柔性傳感器結(jié)合進(jìn)一步促進(jìn)可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展。

近期,華東師范大學(xué)徐敏教授潘麗坤教授團(tuán)隊(duì)日本物質(zhì)材料研究所徐興濤博士合作以天然高分子海藻酸鈉為主體,引入相反電性的功能單體(丙烯酸和丙烯酰胺)和金屬離子鹽(硫酸鋅),成功合成了一種具有高拉伸、形狀自恢復(fù)、導(dǎo)電性好的兩性離子型天然高分子導(dǎo)電水凝膠(圖1)。

基于天然高分子導(dǎo)電水凝膠的無線可穿戴柔性傳感器
圖1.兩性離子型天然高分子導(dǎo)電水凝膠制備流程。

基于天然高分子自身具有的三維空間結(jié)構(gòu),引入的功能單體在天然高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中原位聚合,形成帶有大量相反電性官能團(tuán)的水凝膠骨架,金屬鋅離子的存在使得高分子鏈上的官能團(tuán)緊密聯(lián)系在了一起。借助水凝膠結(jié)構(gòu)中的動態(tài)相互作用,天然高分子導(dǎo)電水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能,在 0.21 MPa 條件下拉伸倍率達(dá)到4200%,同時(shí),動態(tài)相互作用的存在,還賦予了導(dǎo)電水凝膠獨(dú)特的形狀自恢復(fù)特性,當(dāng)水凝膠被拉伸到4000%后,仍然能夠在20分鐘內(nèi)快速恢復(fù)原狀,并且具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性(圖2)。

基于天然高分子導(dǎo)電水凝膠的無線可穿戴柔性傳感器
圖2. 兩性離子型天然高分子導(dǎo)電水凝膠力學(xué)性能。a:拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線;b:柔韌性展示;c-d:高拉伸機(jī)理示意圖;e-f:導(dǎo)電水凝膠形狀自恢復(fù)性能。

由于其良好的柔韌性和導(dǎo)電性,天然高分子導(dǎo)電水凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)電特性,不僅能夠?qū)χw動作進(jìn)行監(jiān)測,還能夠?qū)幼鞯念l率、速度、幅度和時(shí)間跨度等信息及時(shí)反饋,在靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、監(jiān)測范圍及耐久性上都表現(xiàn)出優(yōu)異的性能(圖3)。

基于天然高分子導(dǎo)電水凝膠的無線可穿戴柔性傳感器
圖3. 兩性離子型天然高分子導(dǎo)電水凝膠機(jī)電特性。a-c:應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測;d-f:手指運(yùn)動監(jiān)測,g:響應(yīng)速率監(jiān)測;h:循環(huán)穩(wěn)定性監(jiān)測。

此外,為了進(jìn)一步驗(yàn)證無線可穿戴傳感器對多部位肢體運(yùn)動檢測的時(shí)效性,針對不同上樓梯姿勢和多手指運(yùn)動過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測。如圖4 所示,無線可穿戴傳感器成功實(shí)現(xiàn)了對人體運(yùn)動頻率、速度、幅度和時(shí)間跨度等信息的全方位同步監(jiān)測。該工作中設(shè)計(jì)制備的天然高分子導(dǎo)電水凝膠無線可穿戴傳感器在人體運(yùn)動檢測和醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。

基于天然高分子導(dǎo)電水凝膠的無線可穿戴柔性傳感器
圖4. 無線可穿戴傳感器人體運(yùn)動監(jiān)測。a-b:上樓梯過程中運(yùn)動監(jiān)測;c:手指運(yùn)動監(jiān)測。

該研究成果以“Super-Stretchable, Elastic and Recoverable IonicConductive Hydrogel for Wireless Wearable Stretchable Sensor”為題,發(fā)表于Journalof Materials Chemistry A》(DOI:?10.1039/D0TA02902E)。博士后黃海龍博士生韓盧為共同第一作者,徐敏教授、潘麗坤教授和徐興濤博士為通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金(No. 21875068)的支持。

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