基於天然高分子導電水凝膠的無線可穿戴柔性傳感器

近年來,可穿戴柔性電子設備快速發展,在運動監測、醫療康復和軟體機器人等領域具有潛在的應用前景。可拉伸導電水凝膠以其優異的柔韌性和靈敏的檢測性被認為是理想的柔性傳感器選擇之一。然而,目前報道的導電水凝膠傳感器存在著應變檢測區間有限、靈敏度低、力學性能不足的問題,這些問題的存在嚴重影響瞭導電水凝膠傳感器的進一步發展。此外,傳統可穿戴柔性傳感器的檢測受限於檢測設備的束縛,無線傳感網絡技術有望與可穿戴柔性傳感器結合進一步促進可穿戴電子設備的發展。

近期,華東師范大學徐敏教授潘麗坤教授團隊日本物質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),成功合成瞭一種具有高拉伸、形狀自恢復、導電性好的兩性離子型天然高分子導電水凝膠(圖1)。

基於天然高分子導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電水凝膠制備流程。

基於天然高分子自身具有的三維空間結構,引入的功能單體在天然高分子網絡結構中原位聚合,形成帶有大量相反電性官能團的水凝膠骨架,金屬鋅離子的存在使得高分子鏈上的官能團緊密聯系在瞭一起。借助水凝膠結構中的動態相互作用,天然高分子導電水凝膠表現出優異的力學性能,在 0.21 MPa 條件下拉伸倍率達到4200%,同時,動態相互作用的存在,還賦予瞭導電水凝膠獨特的形狀自恢復特性,當水凝膠被拉伸到4000%後,仍然能夠在20分鐘內快速恢復原狀,並且具有很好的循環穩定性(圖2)。

基於天然高分子導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電水凝膠力學性能。a:拉伸應力應變曲線;b:柔韌性展示;c-d:高拉伸機理示意圖;e-f:導電水凝膠形狀自恢復性能。

由於其良好的柔韌性和導電性,天然高分子導電水凝膠展現出優異的機電特性,不僅能夠對肢體動作進行監測,還能夠對動作的頻率、速度、幅度和時間跨度等信息及時反饋,在靈敏度、響應時間、監測范圍及耐久性上都表現出優異的性能(圖3)。

基於天然高分子導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電水凝膠機電特性。a-c:應力應變監測;d-f:手指運動監測,g:響應速率監測;h:循環穩定性監測。

此外,為瞭進一步驗證無線可穿戴傳感器對多部位肢體運動檢測的時效性,針對不同上樓梯姿勢和多手指運動過程進行瞭實時監測。如圖4 所示,無線可穿戴傳感器成功實現瞭對人體運動頻率、速度、幅度和時間跨度等信息的全方位同步監測。該工作中設計制備的天然高分子導電水凝膠無線可穿戴傳感器在人體運動檢測和醫療康復領域展現瞭廣闊的應用前景。

基於天然高分子導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動監測。a-b:上樓梯過程中運動監測;c:手指運動監測。

該研究成果以“Super-Stretchable, Elastic and Recoverable IonicConductive Hydrogel for Wireless Wearable Stretchable Sensor”為題,發表於Journalof Materials Chemistry A》(DOI: 10.1039/D0TA02902E)。博士後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。該研究得到瞭國傢自然科學基金(No. 21875068)的支持。

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