基于天然高分子導(dǎo)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(shè)備快速發(fā)展，在運動監(jiān)測、醫(yī)療康復(fù)和軟體機器人等領(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)徐敏教授和潘麗坤教授團(tuán)隊與日本物質(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，動態(tài)相互作用的存在，還賦予了導(dǎo)電水凝膠獨特的形狀自恢復(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）。

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、幅度和時間跨度等信息及時反饋，在靈敏度、響應(yīng)時間、監(jiān)測范圍及耐久性上都表現(xiàn)出優(yōu)異的性能（圖3）。

此外，為了進(jìn)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(jìn)行了實時監(jiān)測。如圖4 所示，無線可穿戴傳感器成功實現(xiàn)了對人體運動頻率、速度、幅度和時間跨度等信息的全方位同步監(jiān)測。該工作中設(shè)計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。

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）。博士后黃海龍和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。