華東師大研發(fā)可伸縮離子導(dǎo)電水凝膠傳感器，可應(yīng)用于人體運(yùn)動監(jiān)測中

由于其優(yōu)異的靈活性和高靈敏度，可伸縮離子導(dǎo)電水凝膠傳感器被認(rèn)為是實(shí)時(shí)監(jiān)測人體運(yùn)動的最佳候選之一，作為可穿戴醫(yī)療檢測電子設(shè)備。在人體運(yùn)動檢測中，離子導(dǎo)電水凝膠對其變形非常敏感。然而，目前報(bào)道的水凝膠由于疲勞，在多次重復(fù)拉伸循環(huán)后很難恢復(fù)最初的形狀，導(dǎo)致反應(yīng)遲鈍和使用壽命下降。

本研究設(shè)計(jì)了一種超可拉伸、可恢復(fù)的離子導(dǎo)電水凝膠（雙網(wǎng)絡(luò)聚合物水凝膠（SA-Zn）： ZnSO4/海藻酸鈉/聚丙烯酰胺）作為人體運(yùn)動檢測的可伸縮傳感器。SA-Zn水凝膠具有良好的拉伸能力（可拉伸4000%）和良好的形狀自適應(yīng)能力（恢復(fù)時(shí)間為20min）。自恢復(fù)50次后，水凝膠仍然保持了良好的柔韌性、穩(wěn)定的自恢復(fù)能力和高導(dǎo)電性。更重要的是，該無線可穿戴可伸縮傳感器（SA-Zn-W）與Wi-Fi發(fā)射器結(jié)合后，可將人體運(yùn)動轉(zhuǎn)化為視覺電信號，顯示出其卓越的靈敏度、快速的響應(yīng)、有效的識別能力和穩(wěn)定的機(jī)電重復(fù)性。卓越的性能的SA-Zn-W為 有效地和遠(yuǎn)程檢測人體運(yùn)動提供了一個(gè)有前途的解決方案。

圖1-SA-Zn水凝膠的結(jié)構(gòu)。

圖2-水凝膠機(jī)械性能以及動態(tài)機(jī)理闡釋

SA–Zn水凝膠優(yōu)秀的彈性可以歸因于內(nèi)在結(jié)構(gòu)各種物理動態(tài)相互作用共同協(xié)同作用。當(dāng)SA-Zn水凝膠長度從0%拉伸到200%時(shí)，拉伸應(yīng)力隨拉伸應(yīng)變迅速增大，呈線性關(guān)系，呈現(xiàn)出明顯的彈性變形。在0% ~ 200%的拉伸過程中，破壞了框架結(jié)構(gòu)中的分子鏈糾纏，使分子鏈沿外力方向排列（圖2c）。因此，拉伸過程呈現(xiàn)出較大的應(yīng)力，但拉應(yīng)變較小。當(dāng)拉伸應(yīng)變大于200%時(shí)，拉伸應(yīng)力與應(yīng)變?nèi)员３至己玫木€性關(guān)系，但存在一定的滯后。相比之下，200%以下的拉伸應(yīng)變范圍較大，應(yīng)力變化較小，主要是由于動態(tài)相互作用。再分子鏈取向之后，動態(tài)相互作用為提高拉伸應(yīng)變 （圖3 d）發(fā)揮重要作用。Zn（II）作為水凝膠框架中的橋梁，將不同的分子鏈連接在一起。在拉伸過程中，外力破壞了分子鏈之間的動態(tài)相互作用，并迅速在分子鏈之間重新重建，使其展開滑動，從而保持穩(wěn)定的連接，有效地?cái)U(kuò)大了拉伸應(yīng)變。

其優(yōu)異的自恢復(fù)性能是由于水凝膠的動態(tài)相互作用和分子鏈的運(yùn)動。當(dāng)外力釋放時(shí)，被拉伸的分子鏈?zhǔn)湛s并自由纏繞在一起。一旦分離的分子鏈與Zn（II）接觸在一起，斷裂的動態(tài)相互作用很容易再次連接。然后，動態(tài)的相互作用不斷連接和重建，重新組合水凝膠的框架結(jié)構(gòu)，直到水凝膠恢復(fù)原來的形狀。

圖3-用于機(jī)械信號轉(zhuǎn)換的SA-Zn-W水凝膠傳感器應(yīng)用

總之，本研究開發(fā)了一種具有超拉伸和快速自恢復(fù)特性的新型天然聚合物離子導(dǎo)電水凝膠。在SA框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入功能單體AA和AM構(gòu)建雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了SA的力學(xué)性能，為離子遷移提供了更多的通道。動態(tài)相互作用對SA-Zn水凝膠的超拉伸和形狀自旋能力起著重要作用。由于兩性離子結(jié)構(gòu)， 離子導(dǎo)電水凝膠 顯示優(yōu)秀的電化學(xué)性能與較寬的工作電壓范圍 （-2.5 V—2.5 V） 和穩(wěn)定的導(dǎo)電性。由于其高導(dǎo)電性、良好的彈性和回復(fù)性能，利用SA-Zn水凝膠結(jié)合Wi-Fi電子設(shè)備作為無線可伸縮傳感器監(jiān)測人體運(yùn)動，具有良好的靈敏度和同步性。特別是SA-Zn水凝膠在對人體連續(xù)運(yùn)動的遠(yuǎn)程監(jiān)測中通過測量RRC顯示出驚人的跟蹤和識別能力。因此，SA-Zn水凝膠可伸縮傳感器在人體運(yùn)動監(jiān)測中顯示出了潛力。

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