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天工大范杰/張青松、阿肯色大學(xué)壽萬(wàn) CEJ：超分子相互作用實(shí)現(xiàn)抗溶脹的多功能柔性可穿戴水凝膠傳感器-用于水下運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和信息傳輸
2024-12-30  來(lái)源：高分子科技

  在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，水下活動(dòng)的監(jiān)測(cè)與信息傳輸技術(shù)成為了多個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵研究方向。從海洋科學(xué)研究中的生物行為追蹤、深海資源勘探，到水下工程作業(yè)的人員安全監(jiān)控、水下設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以及新興的水下運(yùn)動(dòng)競(jìng)技和娛樂(lè)項(xiàng)目等，都對(duì)水下運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和信息傳輸提出了越來(lái)越高的要求。傳統(tǒng)的水下監(jiān)測(cè)與通信技術(shù)往往依賴于大型、剛性且復(fù)雜的設(shè)備，這些設(shè)備不僅成本高昂、體積龐大、不易攜帶和部署，而且在與人體或柔性物體的兼容性方面存在顯著缺陷。


  導(dǎo)電水凝膠作為一種具有獨(dú)特電學(xué)性能和良好生物相容性的柔性材料，為解決這些問(wèn)題提供了新的契機(jī)。其柔軟、可拉伸的特性使其能夠與不規(guī)則表面緊密貼合，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)水下物體（尤其是人體）運(yùn)動(dòng)的高精度、高靈敏度檢測(cè)，能夠精確捕捉如關(guān)節(jié)彎曲、肌肉收縮等細(xì)微動(dòng)作變化，從而為水下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分析、運(yùn)動(dòng)損傷預(yù)防和訓(xùn)練效果評(píng)估等提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。然而，水下環(huán)境復(fù)雜多變，普通導(dǎo)電水凝膠極易受到水分子的影響而發(fā)生溶脹現(xiàn)象。溶脹不僅會(huì)導(dǎo)致水凝膠的力學(xué)性能劣化，使其難以保持穩(wěn)定的形狀和貼合度，更會(huì)嚴(yán)重破壞其內(nèi)部的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，造成電導(dǎo)率大幅下降，進(jìn)而影響信號(hào)傳輸?shù)姆(wěn)定性和準(zhǔn)確性，最終使基于水凝膠的水下監(jiān)測(cè)與通信系統(tǒng)失效。 


  因此，開(kāi)發(fā)一種具有抗溶脹性能的導(dǎo)電水凝膠迫在眉睫。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，天津工業(yè)大學(xué)范杰教授、張青松教授和美國(guó)阿肯色大學(xué)壽萬(wàn)教授合作，通過(guò)超分子相互作用制備了一種具有出色抗溶脹性能的水凝膠，這種新型水凝膠將能夠在水下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，保持可靠的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能，為水下運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和信息傳輸技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟新的道路。


  在這項(xiàng)研究中，作者通過(guò)超分子相互作用制備了一種具有出色抗溶脹性能的離子導(dǎo)電水凝膠。多功能離子液體1-乙烯基-3-丁基咪唑溴化物（VBIMBr）和AlCl3與水分子之間的強(qiáng)相互作用有效抑制了水的凍結(jié)和蒸發(fā)，所制備的水凝膠（PTPAVI-Al3+）顯示出良好的防凍性和保水性。此外，VBIMBr和AlCl3的引入還賦予了PTPAVI-Al3+水凝膠出色的離子電導(dǎo)率。不僅如此，PTPAVI-Al3+水凝膠內(nèi)的動(dòng)態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還使其表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能，包括拉伸性、恢復(fù)性和抗疲勞性能。超分子相互作用使得PTPAVI-Al3+水凝膠在多種溶劑介質(zhì)中均表現(xiàn)出優(yōu)異的抗溶脹性，這極大拓寬了水凝膠的應(yīng)用范圍。由PTPAVI-Al3+水凝膠組裝的柔性傳感器表現(xiàn)出高應(yīng)變靈敏度（GF =2.01），寬傳感范圍、快速響應(yīng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐用性，不僅可以監(jiān)測(cè)各種大規(guī)模的人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，還能夠感知微小的肌肉振動(dòng)。更重要的是，為了展示PTPAVI-Al3+超分子導(dǎo)電水凝膠在水下環(huán)境中的應(yīng)用潛力，作者將其組裝成應(yīng)變傳感器用于水下運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和信息傳輸。例如，在水下環(huán)境中，水凝膠能點(diǎn)亮 LED 燈，拉伸時(shí)亮度變化明顯，表明其對(duì)水下運(yùn)動(dòng)檢測(cè)具有高靈敏度；附著在手指和手腕關(guān)節(jié)處，可穩(wěn)定輸出與關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)同步的重復(fù)信號(hào)，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)水下人體運(yùn)動(dòng)。此外，水凝膠可將運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為摩爾斯電碼，在水下成功檢測(cè)特定字母組合，實(shí)現(xiàn)信息傳輸。不僅如此，開(kāi)發(fā)的水下傳感報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)定義手指彎曲時(shí)對(duì)應(yīng)的信息提示，能及時(shí)反饋水下人員的安全狀態(tài)，如遇危險(xiǎn)可觸發(fā)報(bào)警并傳輸求救信號(hào)。總之，這項(xiàng)研究通過(guò)超分子相互作用，開(kāi)發(fā)了一種具有出色抗溶脹性能的離子導(dǎo)電水凝膠，闡明了PTPAVI-Al3+水凝膠的形成機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了PTPAVI-Al3+水凝膠在多種介質(zhì)中的抗溶脹，并揭示了PTPAVI-Al3+水凝膠抗溶脹的機(jī)制。


方案1.  PTPAVI-Al3+水凝膠的制備過(guò)程、形成機(jī)制、特性以及與之前報(bào)道的離子導(dǎo)電水凝膠幾種特性的綜合性能比較。


圖1. PTPAVI-Al3+水凝膠的基本表征和粘附性


圖2. PTPAVI-Al3+水凝膠的機(jī)械性能


圖3. 不同水凝膠的溶脹性能


圖4. PTPAVI-Al3+水凝膠的導(dǎo)電性和應(yīng)變傳感性能


圖5. 基于PTPAVI-Al3+水凝膠的應(yīng)變傳感器的傳感行為


圖6. PTPAVI-Al3+水凝膠的水下應(yīng)用


  總之，這項(xiàng)工作展示了通過(guò)超分子相互作用獲得具有出色抗溶脹性能的多功能柔性可穿戴水凝膠傳感器的可行策略，并顯示了PTPAVI-Al3+水凝膠作為抗溶脹可穿戴應(yīng)變傳感器在水下運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和信息傳輸?shù)确矫娴木薮髴?yīng)用潛力。


  相關(guān)研究成果以“A multifunctional flexible wearable hydrogel sensor with anti-swelling via supramolecular interactions for underwater motion detection and information transmission”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》。文章第一作者為天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院博士生雷通達(dá)，天津工業(yè)大學(xué)范杰教授、張青松教授和美國(guó)阿肯色大學(xué)壽萬(wàn)教授為通訊作者。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158700

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