西交唐敬达/北工杨庆生/北理陶然等:低滞后-抗疲劳水凝胶基应变传感器
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研究背景
基于导电水凝胶的可拉伸应变传感器已被广泛应用于可穿戴设备和软机器人。导电水凝胶大致被分为两类：电子导电水凝胶和离子导电水凝胶。
电子导电水凝胶通常表现出高灵敏度，而导电填料和水凝胶基质之间的界面失效将导致循环负载下的大滞后和传感性能损坏。 离子导电的水凝胶本身作为导电材料，可以避免界面问题，但对于水凝胶本身尤其是韧性水凝胶，在循环载荷下通常表现出较大的滞后性和较低的抗疲劳性。
近日，西安交通大学唐敬达副教授联合北京工业大学杨庆生教授、北京理工大学陶然副教授等在材料化学国际期刊 Journal of the Materials Chemistry A 发表题为 “Stretchable strain sensor of composite hydrogels with high fatigue resistance and low hysteresis” 的文章。
该工作提出了一种自增强的离子导电复合水凝胶，其中软相是常规的化学交联水凝胶，硬相是高度缠结的水凝胶，两相都具有低滞回性能，模量有差异，基于此实现了高疲劳门槛值（约为330 Jm⁻²）和低滞后性能（加卸载滞回小于 3%）。此复合水凝胶应变传感器可监测人体运动、机械臂运动以及体外心脏跳动信号，在柔性电子、软机器人和人机交互等方面具有较大的潜力。
结果与讨论
01
复合水凝胶传感器的设计原理和性能
离子导电水凝胶的传感原理如图1a 所示，当水凝胶被拉伸时，离子传输的距离增加，导致电阻增加，从而将机械变形转换为电信号。为了监测人体运动，水凝胶传感器应同时满足高抗疲劳性、高拉伸性、电稳定性和低滞后性的要求（图1b）。作者提出一种方法来制备具有离子导电性的自增强复合水凝胶（图1c）。软相和硬相都是由聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶组成，通过调节聚合物网络中交联和缠结的密度来调节水凝胶的模量。由软相和硬相组成的复合凝胶在力学和电学测试中仍保持低滞后（图1d）。与各种水凝胶和弹性体相比，复合水凝胶在力学上表现出更低的滞后性（图1e）。同样地，复合水凝胶应变传感器在电学上的滞后也远低于先前报道的水凝胶或弹性体传感器（图 1f）。
▲ | 图 1. （a）水凝胶应变传感器的传感原理（b）监测人体运动信号的水凝胶传感器的多功能要求（c）复合水凝胶的制备和结构（d）复合水凝胶传感器在力学和电学测试上的低滞后性（e）比较复合水凝胶与其他水凝胶或弹性体的力学滞后性能（f）比较复合水凝胶与其他柔性传感器的电学滞后性能。 |
02
复合水凝胶的力学性能
▲ | 图 2. （a）无缺口试样和（b）带缺口试样的应力-拉伸曲线（c）软、硬和复合水凝胶的模量（d）缺口试样的断裂拉伸比λc（e）均质硬相水凝胶在1.8的拉伸下的图片（f）复合水凝胶在 2.53 的拉伸下的图片（g）软、硬和复合水凝胶的断裂韧性（h）复合水凝胶在不同拉伸幅度下加载/卸载循环的应力-拉伸曲线（i） 在相同拉伸幅度的循环拉伸下，复合水凝胶的应力-拉伸曲线。 |
03
复合水凝胶应变传感器的离子导电和传感性能
▲ | 图 3. （a）EIS的奈奎斯特图。（b）不同氯化锂浓度下复合水凝胶的离子电导率（c）相对电阻变化-应变曲线（d）复合水凝胶作为导体在电路中的应用（e）不同幅度循环拉伸下的相对电阻变化-应变曲线（f）不同应变下的相对电阻变化（g）不同加载速率下的相对电阻变化。 |
04
复合水凝胶的疲劳性能
▲ | 图 4. （a）疲劳试验示意图（b）随着能量释放速率的降低，复合水凝胶破坏的循环次数增加（c）复合水凝胶的 G–N 曲线（d）水凝胶应变传感器测试平台示意图（e）循环加载下硬相水凝胶和复合水凝胶的相对电阻变化。 |
05
复合水凝胶应变传感器的应用
▲ | 图 5. (a) 手指、(b) 手腕、(c) 肘部和 (d) 膝盖不同弯曲下复合水凝胶传感器的相对电阻变化 (e)、(f) 机器臂循环运动下的复合水凝胶传感器的相对电阻变化。(g-i) 复合水凝胶应变传感器用于监测体外生物心脏的跳动。 |
结论
本文设计了一种基于导电复合水凝胶的柔性应变传感器。这种复合水凝胶具有多种优异性能的组合，例如高韧性 (~2000 Jm⁻²)、高疲劳阈值 (~330 Jm⁻²) 和低滞后（小于 3%）。以简单的材料组分和简单的制造工艺来同时实现这些特性是不寻常的。作者演示了应变传感器在监测循环运动信号的应用，例如机械臂的循环弯曲和体外生物心脏的跳动。此复合水凝胶应变传感器在可穿戴设备、软机器人和生物医学领域具有较大的潜力。
论文信息
Stretchable strain sensor of composite hydrogels with high fatigue resistance and low hysteresis Jinyuan Liu, Xi Chen, Bonan Sun, Haoyu Guo, Yuhan Guo, Shengyuan Zhang, Ran Tao*, Qingsheng Yang* and Jingda Tang* J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 25564-25574
https://doi.org/10.1039/D2TA07447H
通讯作者
论文通讯作者为西安交通大学唐敬达副教授、北京工业大学杨庆生教授、北京理工大学陶然副教授。
相关期刊
rsc.li/materials-a
J. Mater. Chem. A
| 2-年影响因子* | 14.511分 |
| 5-年影响因子* | 13.375分 |
| 最高 JCR 分区* | Q1 能源与燃料 |
| CiteScore 分† | 21分 |
| 中位一审周期‡ | 28 天 |
Journal of Materials Chemistry A、B 和 C 报道材料化学各领域的高质量理论或实验研究工作。这三本期刊发表的论文侧重于报道对材料及其性质的新理解、材料的新应用以及材料合成的新方法。Journal of Materials Chemistry A、B 和 C 的区别在于所报道材料的不同预期用途。粗略的划分是，Journal of Materials Chemistry A 报道材料在能源和可持续性方面的应用，Journal of Materials Chemistry B 报道材料在生物学和医学方面的应用，Journal of Materials Chemistry C 报道材料在光学、磁学和电子设备方面的应用。
Anders Hagfeldt
🇸🇪 乌普萨拉大学
Associate editors
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* 2021 Journal Citation Reports (Clarivate, 2022)
† CiteScore 2021 by Elsevier
‡ 中位数，仅统计进入同行评审阶段的稿件
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