华南理工刘岚教授课题组在可传感与驱动的水凝胶基功能材料取得新进展

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可穿戴力敏传感材料（Wearable Force Sensitive Sensing Materials, WFSM）是指拥有自由变形能力、可实现人体不同部位穿戴，且能快速感应外界应力（包括压力、拉力、剪切力、扭曲力等），并将其以电信号的形式收集、记录的一种柔性导电复合材料。目前WFSM的研究仍处于初步阶段，将其应用于可穿戴时，存在以下挑战：（1）大多数基体与人体皮肤的杨氏模量并不匹配，实际使用时穿戴不适；（2）其平整的表面与皮肤的相对粗糙表面贴合性较差，减弱了传感材料对力与形变的感知；（3）一般无自粘附性，需要额外固定装备辅助其固定，如应用于手指穿戴时易出现明显的脱落问题。因此，制备具有高度皮肤柔顺性的柔软（类皮肤模量）、能自粘附的柔性基体，对于高性能电子材料的制备与应用具有很重要意义。（J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 4183）

针对上述问题，华南理工大学刘岚教授与康涅狄格大学孙陆逸教授课题组合作，开发出一种低模量、自粘附PVA/PDA-Fe³⁺的柔性基底，并研究了其应用在力敏传感和驱动材料时的机理及性能。文章发表在最新一期的Chemistry of Materials上，第一作者为华南理工大学材料学院陈松博士。

图1可穿戴传感材料中传感材料-皮肤界面的重要性（a-c）以及理想的驱动材料界面层不仅可粘结活性层还能在电源关闭后起到锁定驱动材料的作用（d-f）

该研究受贻贝粘附蛋白的启发，通过原位聚合和离子配位作用开发了模量可调、可拉伸、且兼具高粘附能力的聚多巴胺（PDA）/聚乙烯醇（PVA）-Fe³⁺ 的柔性基体。通过调节PDA与PVA的比例，制备的柔性基体具有极高的粘附性；同时，基于Fe³⁺的吸水性，通过调节Fe³⁺的添加量可有效调控基体的杨氏模量（1.5 GPa 调整到0.01 MPa）。将其应用于WFSM中表现出具有高度的皮肤贴合性、适应性以及皮肤粘附性，实现了优异的可穿戴性（图2）。进一步配合AgNPs网络在拉伸下出现的微裂纹，制备的WFSM在20%拉伸下灵敏度高达2012，可成功应用于人体各部位的穿戴与传感研究（图3）。

图2 AgNPs/PVA-Fe³⁺传感材料数码照片

图3 AgNPs/ PVA/PDA-Fe³⁺可穿戴力敏传感材料用以实时监控各种动作（手背，眼角，前额和手腕）以及对应动作下的电阻变化曲线

图4 具有自锁功能的驱动材料的应用。

在应用方面，本研究以PDA/PVA-Fe³⁺为粘结界面，结合双向拉伸聚丙烯（BOPP）层和纸层，制备出具有自锁定功能的新型刺激驱动材料，对热、NIR光和电压都表现出很好的响应。由于湿膨胀效应和模量可调的特性，该驱动材料可以在去除刺激后实现自锁定；并通过施加湿气解锁，在低能耗软体机器人和软体抓取装置中显示出较高的应用潜力（图4）。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.9b02274

相关进展

北京科技大学温永强教授、张学记教授和上海交通大学杨朝勇教授课题组合作：基于毛细自驱行为的DNA水凝胶传感装置

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