上海交大谷国迎教授、江西科技师大卢宝阳教授《Adv. Mater.》：超低迟滞、高可拉伸性导电聚合物水凝胶应变传感器

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基于柔软可拉伸材料的应变传感器在可穿戴电子皮肤和软体机器人系统中发挥了重要作用。其中，导电聚合物水凝胶凭借稳定的离子-电子导电性、机械鲁棒性和生物兼容性，在应变传感领域展现了广阔的应用前景。然而，现有的基于导电水凝胶的应变传感器通常受限于较高迟滞性或较低可拉伸性，难以在具有较大形变的实际应用场景中提供可靠的应变传感功能。因此，如何设计同时具有高可拉伸性和低迟滞性的导电水凝胶应变传感器仍是该领域的关键挑战。

针对上述挑战，他们提出了一种基于PEDOT:PSS-PVA导电聚合物水凝胶的应变传感器，在实现高可拉伸性（应变~300%）的同时仍具有超低迟滞性（<1.5%），展现了优异的机械与电学性能。近日，该论文以“High-stretchability, Ultralow-hysteresis Conducting Polymer Hydrogel Strain Sensors for Soft Machines”为题发表于Advanced Materials 期刊。该工作以本课题组前期关于高灵敏离子凝胶压感皮肤的研究成果为基础，探究导电聚合物水凝胶作为柔性传感材料的设计机理，并进一步探索了应变传感电子皮肤在生理信号监测、手势识别、软体机器人抓手与工业机器人遥操作等领域的实际应用。

他们将导电聚合物PEDOT:PSS与PVA复合构建微相半分离的水凝胶网络。将PEDOT:PSS纳米纤维重分散于水溶液并与PVA溶液充分混合，流变性实验证明混合后的产物可通过DIW 3D打印工艺制备成型，并在后续的冻融循环中强化PEDOT晶区和PVA晶区的物理交联，形成稳定的微相半分离网络。PEDOT晶区作为电学相可以提供可靠的电学性能，PVA晶区作为机械相可以确保可拉伸性和机械鲁棒性。AFM和SEM微观结构图进一步表明，电学相和机械相在两相界面处融合，通过PEDOT、PSS、PVA各链之间的多种作用力构建互锁的稳定结构，可减少导电聚合物和弹性体网络之间的摩擦滑移，从而在不损失可拉伸性的同时减少迟滞性带来的不利影响。基于电阻式应变传感机理，我们将由此制备的PEDOT:PSS-PVA导电聚合物水凝胶作为应变传感层，结合封装层硅胶薄膜（Dragon Skin）设计应变传感器。

图1 基于PEDOT:PSS-PVA导电聚合物水凝胶应变传感器的设计与机理

视频1 3D打印制备PEDOT:PSS-PVA导电聚合物水凝胶

应变传感性能

受益于稳定互锁的PEDOT:PSS-PVA微相半分离聚合物网络结构，他们设计的导电聚合物水凝胶应变传感器具有优异的机械与电学传感性能。它具有超宽的应变检测范围（0.05%-300%），且同时实现了超低迟滞性（<1.5%）。传感器灵敏度GF值为4.07，线性度R²为0.98，可覆盖通用检测场景的需求。此外，该传感器在不同拉伸状态的周期载荷下均具有稳定的响应能力，经历了2000圈大应变（100%）的循环加载实验后仍保持鲁棒的电学性能和低迟滞性，且不易受非拉伸方向的压力和扭转形变干扰。

图2 应变传感性能表征

可穿戴电子皮肤应用

他们将PEDOT:PSS-PVA应变传感器作为可穿戴电子皮肤应用于人体运动和生理信号的监测。由于具有超宽的应变检测范围，该电子皮肤既可以通过检测微小的人体皮肤应变实时监测颈动脉脉搏、眨眼、吞咽等生理信号，也可以监测手肘弯曲运动等大应变场景。单个应变传感单元可进一步扩展为多路传感阵列，设计了贴附于手背的五路阵列，可实时采集0-9数字手势对应的电阻信号变化。传感信号灵敏地表征了不同手势引起的手背皮肤微小应变，从而实现连续的手势识别。

图3 可穿戴电子皮肤检测人体生理信号

视频2 可穿戴电子皮肤监测手势变化

机器人电子皮肤应用

具有超低迟滞性的应变传感器可与机器人系统集成，在实际应用中提供准确、鲁棒的传感响应。他们将该应变传感器嵌入软体气驱动抓手，在空载与负载抓取的过程中，电阻信号均可精确表征不同输入气压对应的驱动手指的弯曲形变。借助传感信息，软体抓手可以自主感知弯曲角度的变化，以及区分被抓取物体的大小。该应变传感器还可作为人机交互平台遥操纵工业机器人的运动。集成系统通过应变传感器检测多个手指的弯曲运动，每个手指通过预编程控制工业机器人不同方向的运动，从而实时遥控机器人完成目标的运动轨迹。

图4 机器人电子皮肤系统

视频3 可穿戴电子皮肤遥操作工业机器人

总结与展望

该工作提出了一种同时具有超低迟滞和高可拉伸性的导电聚合物水凝胶应变传感器。利用简洁的一步合成方法将PEDOT:PSS纳米纤维和PVA结合，通过设计独特的微相半分离PEDOT:PSS-PVA聚合物网络实现了优异的器件性能，并将其实际应用于可穿戴电子皮肤和软体机器人系统，有望在下一代智能传感与人机交互平台中取得进一步应用。

上海交通大学博士研究生沈泽群和江西科技师范大学硕士研究生张志琳为论文的共同第一作者，上海交通大学谷国迎教授和江西科技师范大学卢宝阳教授为论文的通讯作者。该论文得到了国家自然科学基金，上海市科委“科技创新行动计划”等项目的资助。更多课题组的研究工作欢迎访问研究网页（https://softrobotics.sjtu.edu.cn/），也欢迎机械工程、力学、控制科学与工程、电子科学与技术、材料化学等相关专业的博士生、博士后联系学习与交流！

论文信息：Zequn Shen, Zhilin Zhang, Ningbin Zhang, Jinhao Li, Peiwei Zhou, Faqi Hu, Yu Rong, Baoyang Lu, Guoying Gu, ”High-stretchability, Ultralow-hysteresis Conducting Polymer Hydrogel Strain Sensors for Soft Machines”, Advanced Materials, 2022, 2203650.

论文链接：

[1] https://doi.org/10.1002/adma.202203650 (点击“阅读原文”在线访问)

[2] https://doi.org/10.1002/adma.202102069

来源：SoRoSJTU

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