湖南工业大学经鑫教授团队 JMCC：多功能水凝胶基柔性传感器 - 用于人机人体运动监测和人机交互

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柔性传感器作为柔性可穿戴设备的核心部件，在电子皮肤、人体运动监测和人机交互等领域具有广阔的应用前景。水凝胶具有良好的生物相容性和力学性能可调性，已成为柔性传感材料的研究热点。

针对大多数水凝胶在严寒环境下会不可避免地冻结，并伴随着部分机械性能及导电性能的丧失，且灵敏度低和传感能力单一，极大限制了水凝胶基柔性传感器的应用场景。湖南工业大学经鑫教授课题组通过贻贝仿生化学和溶剂置换策略，以自聚合多巴胺还原氧化石墨烯（PDA-rGO）为导电填料，利用海藻酸钠（SA）和丙烯酰胺（AM）物理和化学双交联制备了PDA-rGO/SA/PAM复合有机水凝胶（图1）。

图1. PDA-rGO/SA/PAM复合有机水凝胶的制备过程

所得的复合有机水凝胶具有优异的抗冻性能（-20 ℃保存24 h、-40 ℃保存3 h）、高拉伸强度（143.2 kPa）、且室温下电导率高达19.39 mS/cm；通过具有温度敏感性能的PDA-rGO，离子传输以及甘油-水二元溶剂的协同作用，实现了-20 ℃ ~ 60 ℃的宽温度范围传感和高灵敏度。当复合有机水凝胶组装成柔性应变传感器时，具有优异的灵敏度（ε=250%，GF=2.09）、宽广的检测范围（0% ~ 250%）以及快速响应性（响应时间200 ms）；同时可用于监测人体的手指弯曲、手腕弯曲，以及鼓腮、皱眉等微表情（图2），在宽温度范围内的人体健康监测和智能可穿戴设备中具有广阔的应用前景。

图2. PDA-rGO/SA/PAM复合有机水凝胶基柔性传感器的应用示意图

针对目前报道的大多数水凝胶存在无法兼顾机械性能，抗冻性能，粘合性能和自愈合性能的问题，且灵敏度低和传感能力单一。课题组通过多重氢键作用、贻贝仿生化学手段以及溶剂置换策略，在弱碱性环境下，利用多巴胺自聚还原GO功能性填料、PEDOT:PSS、丙烯酰胺为原料设计并合成了多功能PDA-rGO/PEDOT:PSS/PAM复合有机水凝胶；并基于设计的多功能水凝胶开发出了具有舒适性、便携性、可实时捕捉运动信号的“智能手套”。（图3）

图3. PDA-rGO/PEDOT:PSS/PAM复合有机水凝胶的性能及应用示意图

所设计的复合有机水凝胶展现出集可拉伸性（断裂伸长率为1350%）、抗冻性（-40 ℃可保持24 h）、自修复性（自修复率90%）、可回复性（回复率93.8%）、粘附性（粘附强度10.4 kPa）于一体的多功能性，并具有较宽的温度检测范围（-40 ℃~60 ℃）。当该有机水凝胶组装成柔性应变传感器时，其灵敏度GF达3.91（ε=500%）、响应时间仅为90 ms；可准确监测手指弯曲、手腕弯曲和面部运动等人体运动行为，在实际应用场景中，可贴于瑜伽运动器材上监测人体的上肢运动，还可贴附于颈托上用于监测人体颈部康复运动（图4）。同时，开发的“智能手套”可通过蓝牙模块将手指运动行为的数据同步传输到手机APP上，实现了对手指运动行为的实时显示和监测（图5）。为水凝胶基可穿戴电子设备在宽温度范围内的人机交互、智能健身设备以及智能康复医疗设备的研究与应用提供了新的思路。

图4. PDA-rGO/PEDOT:PSS/PAM复合有机水凝胶基柔性应变传感器在人体运动监测以及实际应用场景中的应用示意图

图5. 基于PDA-rGO/PEDOT:PSS/PAM复合有机水凝胶的可穿戴人机交互系统及应用

相关工作以“Freezing-tolerant, Widely Detectable and Ultra-sensitive Composite Organohydrogel for Multiple Sensing Applications”、“Ultrastretchable, Self-healable and Adhesive Composite Organohydrogels with Fast Response for Human-Machine Interface Application”为题发表在Journal of Materials Chemistry，论文第一作者为湖南工业大学材料学硕士研究生谢智晖，通讯作者为湖南工业大学经鑫教授。

文章信息：

1. Zhihui Xie, Heng Li, Hao-Yang Mi, Pei-Yong Feng, Yuejun Liu and Xin Jing*. Freezing-tolerant, Widely Detectable and Ultra-sensitive Composite Organohydrogel for Multiple Sensing Application[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2021, 9(31): 10127-10137.

https://doi.org/10.1039/D1TC02599F

2. Zhihui Xie, Zhuo Chen, Xiangshu Hu, Hao-Yang Mi, Jian Zou, Heng Li, Yuejun Liu, Zhi Zhang, Yinghui Shang and Xin Jing*. Ultrastretchable, Self-healable and Adhesive Composite Organohydrogels with Fast Response for Human-Machine Interface Application[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2022, 10, 8266 - 8277

https://doi.org/10.1039/D2TC00932C

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