南京工业大学董晓臣教授课题组：木质素增强的聚离子液体水凝胶无线应变传感器

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近日，南京工业大学董晓臣教授课题组采用超声辅助合成法制备了木质素增强的聚离子液体水凝胶柔性传感器，其具有出色的机械性能（断裂伸长率1425%）、优异的传感性能（GF=1.37）和热敏性能,并探究了其在人体运动监测和发烧指示器领域的应用。该成果以“Thermoresponsive Lignin-Reinforced Poly(Ionic Liquid) Hydrogel Wireless Strain Sensor”为题发表在Research上。

随着人工智能的蓬勃发展，柔性可穿戴设备在智能终端、仿生电子皮肤、假肢置换和健康监测等领域显示出了巨大的应用潜力，激发了人们对柔性电子学的广泛研究兴趣。柔性传感器，可以贴附着在人体皮肤表面并在大范围形变中实现多种刺激感知，是柔性可穿戴设备中最重要的组成部分。与传统的刚性传感器相比，柔性传感器具有随形制造特性和优异的柔韧性。

通过在具有易加工、易制备和可拉伸特点的PU、PDMS和硅橡胶等商业化的弹性衬底中加入导电填料，可以实现柔性应变传感器的高灵敏和快速响应的机电感知。然而，商业化柔性衬底较差的拉伸性严重制约了其在生物体中的应用，并限制了其对湿度和温度的精确触觉感知。因此，迫切需要开发一种具有可调机械性能和多模态响应的柔性电子设备。

为了实现传感器的机械性能可调和多模态响应，南京工业大学董晓臣教授课题组制备了一种木质素增强的聚离子液体水凝胶。通过在聚离子液体水凝胶支链中引入木质素大大提高了水凝胶的亲水性和力学性能、电学性能，得到的聚离子液体水凝胶具有良好的拉伸性(1425%)、韧性(132 kPa)和循环稳定性（图1）。

图1 聚离子液体水凝胶结构示意图

基于聚离子液体水凝胶的应变传感器对人体运动检测和人机交互具有较高的灵敏度(GF=1.37)和较短的响应时间(198 ms)；此外，离子液体的热敏特性使得聚离子液体水凝胶可以作为发烧-退烧指示器，为监测和跟踪人体健康状况提供可靠辅助。将水凝胶传感器集成到无线感知系统中后，可实时感知人体运动，在运动监测、运动姿势矫正和损伤后康复等领域显示出巨大潜力。

图2 聚离子液体水凝胶应变传感器应用于柔性触摸板和人体运动监测

聚离子液体水凝胶应变传感器的高灵敏度和快速响应实现了其在柔性触摸板和可穿戴柔性传感器中的应用。作为柔性触摸板，可以准确区分不同字母的笔迹甚至不同人的书写习惯，在智能输入和签名防伪方面展现出巨大的应用前景；作为柔性传感器，可以对微笑、呼吸等人体运动精准识别，在肢体控制和微表情识别等方面有良好的应用前景。

图3  聚离子液体水凝胶的温敏性能及应用

聚离子液体水凝胶温度传感器具有优异的热敏性、即时响应性和高信噪比，其在狭窄的人体温度范围内可以准确输出不同强度的稳定电信号，具有3.2 ℃的可识别温度分辨率，可实现对人体发热和退热过程的准确监测，为疾病的早期诊断和治疗提供可靠监测。

图4 基于聚离子液体水凝胶的无线应变传感器

集成到无线传输系统中的聚离子液体传感器具有高灵敏度、快速响应和可靠的机械性能，通过精细的强度微分和频率计算，可以得到运动步数、距离和速度等参数；而将水凝胶无线传感器固定在五指关节处组装的数据手套可以分别监测每根手指的活动，实现手势的精准识别。水凝胶无线应变传感器在运动感知、减少运动损伤、运动损伤后康复、人机交互和人工智能方面等领域显示出巨大的市场潜力。

作者提出了一种木质素增强的聚（离子液体）双网络水凝胶传感器来感知应变、压力和温度的多重刺激。基于其高灵敏度响应特性，水凝胶传感器可以准确监测人体的各种动作，并组装成柔性触控面板，实现智能输入；将水凝胶传感器集成到无线感觉系统中，可以实时和远程跟踪和识别身体运动；水凝胶温度传感器还可以组装成体温指示器，作为辅助疾病诊断和治疗策略；聚离子液体水凝胶可同时识别压力和温度的多种刺激，为手写加密、电子皮肤、人机界面和远程医疗保健等领域提供新的应用前景。

原文链接：
Xinyu Qu, Ye Zhao, Zi’ang Chen, Siying Wang, Yanfang Ren, Qian Wang, Jinjun Shao, Wenjun Wang, Xiaochen Dong, "Thermoresponsive Lignin-Reinforced Poly(Ionic Liquid) Hydrogel Wireless Strain Sensor", Research, vol. 2021, Article ID 9845482, 12 pages, 2021. 

https://doi.org/10.34133/2021/9845482

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