基于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(shè)備快速發(fā)展，在運動監(jiān)測、醫(yī)療康復和軟體機器人等領(lǐng)域具有潛在的應用前景。可拉伸導電水凝膠以其優(yōu)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(qū)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了導電水凝膠傳感器的進一步發(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)絡技術(shù)有望與可穿戴柔性傳感器結(jié)合進一步促進可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展。

近期，華東師范大學徐敏教授和潘麗坤教授團隊與日本物質(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、導電性好的兩性離子型天然高分子導電水凝膠（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)絡結(jié)構(gòu)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(lián)系在了一起。借助水凝膠結(jié)構(gòu)中的動態(tài)相互作用，天然高分子導電水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的力學性能，在 0.21 MPa 條件下拉伸倍率達到4200%，同時，動態(tài)相互作用的存在，還賦予了導電水凝膠獨特的形狀自恢復特性，當水凝膠被拉伸到4000%后，仍然能夠在20分鐘內(nèi)快速恢復原狀，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電性，天然高分子導電水凝膠展現(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)療康復領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應用前景。

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基金（No. 21875068）的支持。