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  傳感器作為可穿戴設(shè)備的核心組件，其功能化決定了可穿戴設(shè)備的發(fā)展。應(yīng)變傳感器具有隨機(jī)械形變可重復(fù)變化的電學(xué)特性以及類似人體皮膚觸覺的傳感靈敏度，有望應(yīng)用于生物力學(xué)研究、人體健康監(jiān)測、嵌入治療傳感以及軟機(jī)器人的感覺皮膚。

  近日，北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院的馬明國教授課題組與北京化工大學(xué)的萬鵬博課題組合作，在ACS Applied Materials & Interfaces 上報(bào)道了水凝膠應(yīng)變傳感器領(lǐng)域的精彩研究。

  將半導(dǎo)體與襯體整合或是摻雜導(dǎo)體于彈性體內(nèi)等策略設(shè)計(jì)出的高傳感靈敏度應(yīng)變傳感器已經(jīng)得到很好的發(fā)展，但是其低延展性、較差的耐久性以及自身剛度導(dǎo)致不利于與皮膚的緊密貼合，為可穿戴性帶來了挑戰(zhàn)。聚合物水凝膠作為一種由大量水分和三維聚合物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的物質(zhì)，具有類似生物軟組織的柔軟性，而且還展現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)聚合物的延展性、自修復(fù)能力和自恢復(fù)性，成為可穿戴或可嵌入設(shè)備的理想柔軟基體材料。然而，如何將可觀的機(jī)械性能和高傳感靈敏度整合到一起，設(shè)計(jì)出一款可伸縮、彈性、自修復(fù)、應(yīng)變敏感的水凝膠作為可穿戴傳感器仍然存在挑戰(zhàn)。

  受自然界中具有多級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和優(yōu)良機(jī)械性能的生物軟組織啟發(fā)，北京林業(yè)大學(xué)與北京化工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通力合作，模仿軟組織的多級(jí)結(jié)構(gòu)，通過向PVA和PVP共價(jià)交聯(lián)的“軟”聚合物網(wǎng)絡(luò)中引入三價(jià)鐵離子與羥基之間配位綁定的納米纖維素增強(qiáng)區(qū)域來制備功能網(wǎng)絡(luò)水凝膠，構(gòu)建了協(xié)同“軟-硬-軟”的三明治多級(jí)結(jié)構(gòu)，成功將可伸縮性、彈性、自修復(fù)性、高應(yīng)變敏感度整合到一起，設(shè)計(jì)了一款高性能、柔軟、可穿戴的水凝膠應(yīng)變傳感器。

圖1. 功能網(wǎng)絡(luò)水凝膠的可伸縮性、彈性、韌性性能。圖片來源：ACS Applied Materials & Interfaces

  該研究工作制備的功能網(wǎng)絡(luò)水凝膠展現(xiàn)出高韌性，手指按壓不破損，在不規(guī)則應(yīng)變后仍然保持高韌性；這種材料可任意成型、打結(jié)，最長可伸縮800％以上。此外，該水凝膠可緊密貼敷在皮膚表面，用作可穿戴設(shè)備基體材料。功能網(wǎng)絡(luò)水凝膠具有較強(qiáng)的自修復(fù)性能，破損后5分鐘內(nèi)就可以自我修復(fù)，修復(fù)過程不需要其他外界刺激。作者利用水凝膠連接在電路中，通過研究破損前后對電路中LED燈亮度的影響發(fā)現(xiàn)，水凝膠修復(fù)前后對其傳感性能幾乎沒有影響。

圖2. 功能網(wǎng)絡(luò)水凝膠的自修復(fù)性能。圖片來源：ACS Applied Materials & Interfaces

  利用該款功能強(qiáng)大的、可伸縮的、應(yīng)變敏感的水凝膠，可廣泛應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、呼吸監(jiān)測、脈搏監(jiān)測等領(lǐng)域。水凝膠的相對電阻隨著應(yīng)變的變化而變化，具有響應(yīng)速度快，傳感靈敏度高等特點(diǎn)。利用水凝膠可以監(jiān)測食指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，可以應(yīng)用于監(jiān)測人體不同呼吸模式，也可以應(yīng)用于監(jiān)測人體不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的脈搏跳動(dòng)。

圖3. 應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、呼吸監(jiān)測、脈搏監(jiān)測的功能網(wǎng)絡(luò)水凝膠的傳感性能。圖片來源：ACS Applied Materials & Interfaces

  該研究工作基于仿生合成，制備的水凝膠應(yīng)變傳感器具有自修復(fù)性、高彈性、高韌性、高應(yīng)變敏感度等優(yōu)勢，開辟了納米纖維素水凝膠應(yīng)用的新途徑，為水凝膠應(yīng)變傳感器應(yīng)用于可穿戴領(lǐng)域提供了新思路和新方法。

  該研究成果發(fā)表在材料研究領(lǐng)域著名刊物ACS Applied Materials & Interfaces 上，論文的第一作者是北京林業(yè)大學(xué)的碩士研究生劉艷軍。該研究得到了中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(2015ZCQ-CL-03)和齊魯工業(yè)大學(xué)制漿造紙省部級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)開放基金的大力支持。

  論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b07639