基于離子凝膠微針陣列的智能消防安全可穿戴電子器件

離子凝膠為柔性電子器件提供了創(chuàng)新的應(yīng)用與未來(lái)前景，涵蓋可穿戴電子器件、軟機(jī)器人和智能系統(tǒng)等領(lǐng)域。用于柔性電子器件的離子凝膠受壓力、溫度、濕度和溶劑等因素影響時(shí)需要保持良好的導(dǎo)電性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、加工兼容性和靈敏度。盡管柔性傳感器器件的微型化、集成化和無(wú)線操作等特點(diǎn)提高了其靈敏度，增加了器件的選擇性、舒適性和便利性，但也帶來(lái)了制造方面的挑戰(zhàn)。因此，當(dāng)前離子凝膠傳感器面臨的關(guān)鍵問(wèn)題是開發(fā)性能優(yōu)異的離子凝膠，明晰離子凝膠傳感器的內(nèi)在傳感機(jī)制，最終推動(dòng)微型集成柔性傳感器件的創(chuàng)新應(yīng)用。

近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)桂宙教授和朱紀(jì)欣教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Fiber Materials期刊上發(fā)表了題為“Unlocking Intrinsic Conductive Dynamics of Ionogel Microneedle Arrays as Wearable Electronics for Intelligent Fire Safety”的研究成果。該研究詳細(xì)報(bào)道了一系列高性能離子凝膠材料，利用密度泛函理論計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)模擬，以及原位溫度依賴光譜技術(shù)揭示其內(nèi)在傳感機(jī)制。此外，研究團(tuán)隊(duì)還制備了一系列可定制結(jié)構(gòu)的仿生微針離子凝膠器件?；谶@些成果，他們還開發(fā)了實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、短程無(wú)線通信和智能移動(dòng)應(yīng)用技術(shù)的集成，實(shí)現(xiàn)了智慧消防安全雙效預(yù)警。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)鄭亞鵬博士研究生為本文的第一作者，桂宙教授與朱紀(jì)欣教授為共同通信作者。

圖1為離子凝膠的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，其分子結(jié)構(gòu)包含多種動(dòng)態(tài)鍵，尤其是氫鍵和離子鍵，這些非共價(jià)相互作用形成自發(fā)變化和可逆過(guò)程，在可穿戴電子器件中顯示出非凡的應(yīng)用潛力。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)紫外線（UV）固化技術(shù)進(jìn)行原位光聚合反應(yīng)，成功制備了一系列具有優(yōu)異機(jī)械性能的離子凝膠，包括高拉伸性（伸長(zhǎng)率約為794%）、高耐壓性（變形率約為90%）、高機(jī)械強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度分別為約2.0 MPa和約16.3 MPa）以及出色的透明度（透光率> 91.1%）。此外，研究團(tuán)隊(duì)選擇了具有代表性的溶劑進(jìn)行溶脹試驗(yàn)，評(píng)估并證實(shí)了離子凝膠在不同環(huán)境條件下的耐受性。

圖1離子凝膠的結(jié)構(gòu)和形態(tài)

圖2離子凝膠的機(jī)械和電學(xué)性能表征

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)微電子印刷技術(shù)在銀電極上實(shí)現(xiàn)離子凝膠的印刷，制備了微型柔性電子器件。離子凝膠器件的電阻變化受溫度范圍影響，隨著溫度的升高，柔性器件的電阻顯著降低。在30℃~ 45℃的溫度范圍內(nèi)，離子凝膠器件的熱敏系數(shù)（Tcr = -2.074%，R2= 0.993）較高；經(jīng)歷連續(xù)循環(huán)多次升降溫后，其電阻變化基本保持一致，表明其具備優(yōu)異的溫度傳感穩(wěn)定性。

圖3離子凝膠的機(jī)械和電學(xué)性能表征

受微針貼片技術(shù)的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合數(shù)字光處理（DLP）3D打印、模具鑄造和原位光固化技術(shù)（圖4a），開發(fā)出一系列可定制結(jié)構(gòu)的離子凝膠器件，如微圓柱形、微半球形、微球形和微金字塔形的微針陣列結(jié)構(gòu)，結(jié)合有限元分布模擬證實(shí)了熱行為和機(jī)械穩(wěn)定性（圖4b ~ 4i）。通過(guò)將數(shù)字電極與仿生微針結(jié)構(gòu)離子凝膠相結(jié)合，制備出靈活的柔性傳感系統(tǒng)。

為了驗(yàn)證柔性傳感系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于可穿戴安全器件的實(shí)時(shí)智能監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)采集、處理和溫度傳輸，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、短程無(wú)線通信和智能移動(dòng)應(yīng)用技術(shù)的集成進(jìn)行無(wú)線監(jiān)測(cè)。如圖4j ~ 4p所示，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)無(wú)線探測(cè)和監(jiān)測(cè)外部環(huán)境或人類活動(dòng)產(chǎn)生的熱刺激。無(wú)線可穿戴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：信號(hào)采集模塊、控制電路模塊、中央處理器即單片機(jī)、無(wú)線藍(lán)牙傳輸模塊以及智能手機(jī)APP實(shí)時(shí)接收模塊。系統(tǒng)獲取安全裝置電阻的變化并轉(zhuǎn)換為輸出電壓信號(hào)，傳送到微控制器；微處理器處理收集到的信號(hào)，并通過(guò)藍(lán)牙模塊傳輸；藍(lán)牙接收器將傳感器的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，通過(guò)智能手機(jī)APP實(shí)時(shí)分析和顯示。研究團(tuán)隊(duì)成功展示出該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性（圖4），包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外部火焰接觸點(diǎn)溫度，以及在不同狀態(tài)（正常、預(yù)警、報(bào)警狀態(tài)）下智能視聽雙效警報(bào)系統(tǒng)的效果。

圖4實(shí)時(shí)智能安全監(jiān)控系統(tǒng)

綜上所述，本工作采用簡(jiǎn)便通用的方法制備了一系列離子凝膠材料，具有高透明度、優(yōu)異的機(jī)械和電氣性能、出色的電化學(xué)穩(wěn)定性、環(huán)境耐受性以及良好的應(yīng)變和溫度傳感能力。此外，研究團(tuán)隊(duì)展示了微針陣列結(jié)構(gòu)離子凝膠器件可應(yīng)用于定制化可穿戴安全熱敏器件的潛力，并開發(fā)了實(shí)時(shí)智能監(jiān)控系統(tǒng)用于智慧消防安全預(yù)警和溫度指示。

審核編輯：劉清