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  傳感器作為可穿戴設備的核心組件，其功能化決定了可穿戴設備的發(fā)展。應變傳感器具有隨機械形變可重復變化的電學特性以及類似人體皮膚觸覺的傳感靈敏度，有望應用于生物力學研究、人體健康監(jiān)測、嵌入治療傳感以及軟機器人的感覺皮膚。

  近日，北京林業(yè)大學材料學院的馬明國教授課題組與北京化工大學的萬鵬博課題組合作，在ACS Applied Materials & Interfaces 上報道了水凝膠應變傳感器領域的精彩研究。

  將半導體與襯體整合或是摻雜導體于彈性體內(nèi)等策略設計出的高傳感靈敏度應變傳感器已經(jīng)得到很好的發(fā)展，但是其低延展性、較差的耐久性以及自身剛度導致不利于與皮膚的緊密貼合，為可穿戴性帶來了挑戰(zhàn)。聚合物水凝膠作為一種由大量水分和三維聚合物網(wǎng)絡構(gòu)成的物質(zhì)，具有類似生物軟組織的柔軟性，而且還展現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)聚合物的延展性、自修復能力和自恢復性，成為可穿戴或可嵌入設備的理想柔軟基體材料。然而，如何將可觀的機械性能和高傳感靈敏度整合到一起，設計出一款可伸縮、彈性、自修復、應變敏感的水凝膠作為可穿戴傳感器仍然存在挑戰(zhàn)。

  受自然界中具有多級網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和優(yōu)良機械性能的生物軟組織啟發(fā)，北京林業(yè)大學與北京化工大學的研究團隊通力合作，模仿軟組織的多級結(jié)構(gòu)，通過向PVA和PVP共價交聯(lián)的“軟”聚合物網(wǎng)絡中引入三價鐵離子與羥基之間配位綁定的納米纖維素增強區(qū)域來制備功能網(wǎng)絡水凝膠，構(gòu)建了協(xié)同“軟-硬-軟”的三明治多級結(jié)構(gòu)，成功將可伸縮性、彈性、自修復性、高應變敏感度整合到一起，設計了一款高性能、柔軟、可穿戴的水凝膠應變傳感器。

圖1. 功能網(wǎng)絡水凝膠的可伸縮性、彈性、韌性性能。圖片來源：ACS Applied Materials & Interfaces

  該研究工作制備的功能網(wǎng)絡水凝膠展現(xiàn)出高韌性，手指按壓不破損，在不規(guī)則應變后仍然保持高韌性；這種材料可任意成型、打結(jié)，最長可伸縮800％以上。此外，該水凝膠可緊密貼敷在皮膚表面，用作可穿戴設備基體材料。功能網(wǎng)絡水凝膠具有較強的自修復性能，破損后5分鐘內(nèi)就可以自我修復，修復過程不需要其他外界刺激。作者利用水凝膠連接在電路中，通過研究破損前后對電路中LED燈亮度的影響發(fā)現(xiàn)，水凝膠修復前后對其傳感性能幾乎沒有影響。

圖2. 功能網(wǎng)絡水凝膠的自修復性能。圖片來源：ACS Applied Materials & Interfaces

  利用該款功能強大的、可伸縮的、應變敏感的水凝膠，可廣泛應用于人體運動監(jiān)測、呼吸監(jiān)測、脈搏監(jiān)測等領域。水凝膠的相對電阻隨著應變的變化而變化，具有響應速度快，傳感靈敏度高等特點。利用水凝膠可以監(jiān)測食指關節(jié)運動，可以應用于監(jiān)測人體不同呼吸模式，也可以應用于監(jiān)測人體不同運動狀態(tài)下的脈搏跳動。

圖3. 應用于人體運動監(jiān)測、呼吸監(jiān)測、脈搏監(jiān)測的功能網(wǎng)絡水凝膠的傳感性能。圖片來源：ACS Applied Materials & Interfaces

  該研究工作基于仿生合成，制備的水凝膠應變傳感器具有自修復性、高彈性、高韌性、高應變敏感度等優(yōu)勢，開辟了納米纖維素水凝膠應用的新途徑，為水凝膠應變傳感器應用于可穿戴領域提供了新思路和新方法。

  該研究成果發(fā)表在材料研究領域著名刊物ACS Applied Materials & Interfaces 上，論文的第一作者是北京林業(yè)大學的碩士研究生劉艷軍。該研究得到了中央高校基本科研業(yè)務費(2015ZCQ-CL-03)和齊魯工業(yè)大學制漿造紙省部級重點實驗開放基金的大力支持。

  論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b07639