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基于天然高分子导电水凝胶的无线可穿戴柔性传感器-岩拓气凝胶

基于天然高分子导电水凝胶的无线可穿戴柔性传感器

近年来,可穿戴柔性电子设备快速发展,在运动监测、医疗康复和软体机器人等领域具有潜在的应用前景。可拉伸导电水凝胶以其优异的柔韧性和灵敏的检测性被认为是理想的柔性传感器选择之一。然而,目前报道的导电水凝胶传感器存在着应变检测区间有限、灵敏度低、力学性能不足的问题,这些问题的存在严重影响了导电水凝胶传感器的进一步发展。此外,传统可穿戴柔性传感器的检测受限于检测设备的束缚,无线传感网络技术有望与可穿戴柔性传感器结合进一步促进可穿戴电子设备的发展。

近期,华东师范大学徐敏教授潘丽坤教授团队日本物质材料研究所徐兴涛博士合作以天然高分子海藻酸钠为主体,引入相反电性的功能单体(丙烯酸和丙烯酰胺)和金属离子盐(硫酸锌),成功合成了一种具有高拉伸、形状自恢复、导电性好的两性离子型天然高分子导电水凝胶(图1)。

基于天然高分子导电水凝胶的无线可穿戴柔性传感器
图1.两性离子型天然高分子导电水凝胶制备流程。

基于天然高分子自身具有的三维空间结构,引入的功能单体在天然高分子网络结构中原位聚合,形成带有大量相反电性官能团的水凝胶骨架,金属锌离子的存在使得高分子链上的官能团紧密联系在了一起。借助水凝胶结构中的动态相互作用,天然高分子导电水凝胶表现出优异的力学性能,在 0.21 MPa 条件下拉伸倍率达到4200%,同时,动态相互作用的存在,还赋予了导电水凝胶独特的形状自恢复特性,当水凝胶被拉伸到4000%后,仍然能够在20分钟内快速恢复原状,并且具有很好的循环稳定性(图2)。

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图2. 两性离子型天然高分子导电水凝胶力学性能。a:拉伸应力应变曲线;b:柔韧性展示;c-d:高拉伸机理示意图;e-f:导电水凝胶形状自恢复性能。

由于其良好的柔韧性和导电性,天然高分子导电水凝胶展现出优异的机电特性,不仅能够对肢体动作进行监测,还能够对动作的频率、速度、幅度和时间跨度等信息及时反馈,在灵敏度、响应时间、监测范围及耐久性上都表现出优异的性能(图3)。

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图3. 两性离子型天然高分子导电水凝胶机电特性。a-c:应力应变监测;d-f:手指运动监测,g:响应速率监测;h:循环稳定性监测。

此外,为了进一步验证无线可穿戴传感器对多部位肢体运动检测的时效性,针对不同上楼梯姿势和多手指运动过程进行了实时监测。如图4 所示,无线可穿戴传感器成功实现了对人体运动频率、速度、幅度和时间跨度等信息的全方位同步监测。该工作中设计制备的天然高分子导电水凝胶无线可穿戴传感器在人体运动检测和医疗康复领域展现了广阔的应用前景。

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图4. 无线可穿戴传感器人体运动监测。a-b:上楼梯过程中运动监测;c:手指运动监测。

该研究成果以“Super-Stretchable, Elastic and Recoverable IonicConductive Hydrogel for Wireless Wearable Stretchable Sensor”为题,发表于Journalof Materials Chemistry A》(DOI: 10.1039/D0TA02902E)。博士后黄海龙博士生韩卢为共同第一作者,徐敏教授、潘丽坤教授和徐兴涛博士为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金(No. 21875068)的支持。

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