基于高強(qiáng)度導(dǎo)電水凝膠的線性高靈敏度應(yīng)變傳感器

隨著智能終端的普及，可穿戴柔性電子設(shè)備呈現(xiàn)出巨大的市場(chǎng)前景。柔性應(yīng)變傳感器作為柔性電子器件的核心部件，在電子皮膚、人體健康監(jiān)測(cè)、植入式設(shè)備、人機(jī)交互系統(tǒng)等方面有廣闊的應(yīng)用前景，已成為水凝膠材料領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。在實(shí)際應(yīng)用中，確保傳感信號(hào)的靈敏度和可靠性非常重要，這對(duì)水凝膠的應(yīng)變靈敏度和線性響應(yīng)提出了很高的要求，也是當(dāng)前大多數(shù)水凝膠應(yīng)力應(yīng)變傳感器面臨的重要瓶頸問(wèn)題。如何在實(shí)現(xiàn)高可拉伸性的同時(shí)保證線性高靈敏度仍是目前面臨的挑戰(zhàn)。其關(guān)鍵在于合理地設(shè)計(jì)水凝膠網(wǎng)絡(luò)和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并在二者之間構(gòu)筑協(xié)同響應(yīng)機(jī)制，既獲得高強(qiáng)度韌性，又使導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)隨著應(yīng)變而發(fā)生及時(shí)響應(yīng)，從而獲得高靈敏度。

中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員付俊團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種基于高強(qiáng)度導(dǎo)電水凝膠的線性高靈敏度應(yīng)變傳感器。其使用的導(dǎo)電凝膠是由柔性的丙烯酰胺-甲基丙烯酸羥乙酯共聚物（P(AAm-co-HEMA)）與原位生成的剛性聚苯胺（PANI）組成的半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠，其中P(AAm-co-HEMA)與PANI之間依靠氫鍵作用實(shí)現(xiàn)柔性絕緣網(wǎng)絡(luò)與剛性導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)之間的緊密結(jié)合（圖1a）。基于這樣的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖1b，1c和1d），聚苯胺在該體系中的閾值僅為0.5wt/vol%，即可獲得高電導(dǎo)率。這一數(shù)值遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)報(bào)道的碳材料或金屬材料在柔性應(yīng)變傳感器中的應(yīng)用量。低含量聚苯胺顯著提升了導(dǎo)電凝膠的拉伸韌性（9.19MJ/m3），比母體PAAm-co-HEMA凝膠提高了11倍，電導(dǎo)率提高至8.14S/m（接近純聚苯胺凝膠體系的11s/m）。這種依靠可逆的氫鍵作用結(jié)合的互穿網(wǎng)絡(luò)使得凝膠對(duì)循環(huán)載荷具有優(yōu)異的抗疲勞性（0-200%大應(yīng)變循環(huán)100次后電性能仍穩(wěn)定），在0-300%的大拉伸應(yīng)變下靈敏度穩(wěn)定在1.48（圖2a），對(duì)應(yīng)變具有極高的敏感性（0.23%的壓縮應(yīng)變下靈敏度為11，圖2b）。

圖1 （a）PANI/P(AAm-co-HEMA)水凝膠的合成示意圖；（b）P(AAm-co-HEMA)水凝膠SEM圖像；PANI/P(AAm-co-HEMA)水凝膠的（c）SEM圖和（d）CLSM圖像

圖2 PANI/P(AAm-co-HEMA)水凝膠拉伸（a）以及壓縮（b）下電阻變化率-應(yīng)變曲線

PANI/PAAm-co-HEMA凝膠具有優(yōu)異的傳感性能，被成功用于監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)或生理信號(hào)，包括脈搏，聲帶震動(dòng)以及關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)等。其中凝膠傳感器可以清晰地識(shí)別手腕的彎曲角度(圖3a)、聲帶的震動(dòng)波形、幅度與頻率（圖3b）以及脈搏波形（圖3c）。值得一提的是，該傳感器可準(zhǔn)確檢測(cè)到典型的脈搏雙峰波型，這一細(xì)微的雙峰特征是由左心室收縮引起的血壓和身體的反射波形成的，其比值P1/P2是動(dòng)脈硬化的診斷指標(biāo)。此外，科研人員還構(gòu)筑了超靈敏凝膠傳感器陣列，模擬人體皮膚的二維信號(hào)感知特征，能及時(shí)、準(zhǔn)確地反映陣列表面微小的應(yīng)力刺激，每個(gè)陣列單元可分別獨(dú)立記錄應(yīng)力變化，并以電信號(hào)形式輸出（圖4）。

圖3 PANI/P(AAm-co-HEMA)凝膠應(yīng)變傳感器用于檢測(cè)手腕彎曲（a）、聲帶震動(dòng)（b）以及脈搏（c）

圖4 PANI/P(AAm-co-HEMA)凝膠組裝的傳感器陣列（a）以及細(xì)節(jié)圖（b，c）；（d）當(dāng)手指同時(shí)按在傳感器陣列的B3、E3、B6和E6上時(shí)，各傳感器電阻變化結(jié)果；(e)當(dāng)測(cè)試者在陣列上寫(xiě)下“CNiTECH”，各個(gè)凝膠對(duì)應(yīng)的電信號(hào)結(jié)果

該成果以Ultra Stretchable Strain Sensors and Arrays with High Sensitivity and Linearity Based on Super Tough Conductive Hydrogels 為題發(fā)表在Chemistry of Materials上（2018, DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b03999），付俊為通訊作者。相關(guān)技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)了中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利（CN 201710073869.2）。