东北大学田野课题组 ACS AMI：用于应变传感和数字图像映射的高性能导电水凝胶

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水凝胶应变传感器由于其柔性、灵敏等特点，已成为传感器领域研究的热点，并为物联网和人工智能领域提供了新颖的方向。然而，制备具有优越性能(如高导电性)的水凝胶传感器仍然具有挑战性。优良的导电性可以使传感器将感知到的外界刺激转化为易于识别的电信号。为了提高导电性，研究人员常通过向水凝胶中引入高导电性材料，但高导电性材料往往具有分散难、成分不够安全以及制备成本高等问题。因此，目前研究出具有高导电性、生物相容性好且制备简单的水凝胶应变传感器仍然是项挑战。

近期，东北大学医学与生物信息工程学院田野副教授团队联合上海交通大学传感科学与工程学院郭劲宏教授共同提出了一种高性能导电水凝胶（PPC水凝胶），成功实现了人体关节活动检测、心电图、肌电图柔性电极等应用。除此之外，研究者基于PPC水凝胶以及Python算法研发了压力监测的物联网系统，将PPC水凝胶感受到的压力信息成功进行数字图像映射，生成可以用于网络传输的数字图像，便于远程监测。

图 1 PPC水凝胶的制备过程

研究者使用PVA(聚乙烯醇)、PAAS(聚丙烯酸钠)和CaCl₂三种成分，通过冷冻交联和离子螯合，在不添加高导电材料的情况下，使水凝胶具有约5.2 S/m的高导电性。冷冻物理交联的PVA作为水凝胶的框架，PAAS则均匀分散在水凝胶中，并与CaCl₂中的钙离子螯合形成离子网络簇分布在整个PVA网络。与此同时PPC水凝胶由于其致密的分子结构，亲水分子链在水中的暴露减少，因此能够在水下条件下长时间保持稳定状态，抵抗膨胀，同时PCC水凝胶在浸入水中时能够保持其导电性与高应变状态，并且随着水凝胶的形变，电阻依然会发生变化。除此之外，研究者基于python的可视化算法，开发了PCC水凝胶传感器阵列压力传感系统，该系统可将传感器识别的压力信息转换为数字图像信号，可用于物联网远程监测。

 图 2 PPC水凝胶的水下特性以及作为柔性电极应用于心电图、肌电图的检测中。

 图 3 基于PPC水凝胶的压敏阵列和数字图像映射

PCC水凝胶具有高电导率、可拉伸性、形状稳定性同时制备简单的特点；同时，PPC水凝胶在柔性电极、人体关节运动监测和字母手写识别等应用具有良好的表现；基于Python可视化算法的水凝胶传感器阵列压力传感系统也为在智能人机交互、体联网和物联网工程等领域中使用柔性传感器创造了可能。

该工作以“High Performance Conductive Hydrogel for Strain Sensing Applications and Digital Image Mapping”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上（DOI：10.1021/acsami.2c15669）。东北大学医工学院博士生刘若楠为文章第一作者，上海交通大学郭劲宏教授和东北大学田野副教授为共同通信作者。

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c15669

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