近年來(lái)，柔性智能傳感器的發(fā)展迅猛，在可穿戴設(shè)備、智能器件和人工智能領(lǐng)域逐漸發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。與基于彈性體的智能傳感器不同，利用生物相容性極佳的水凝膠材料本身具有一定的潛在優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于實(shí)際的應(yīng)用，諸如電子皮膚、健康監(jiān)測(cè)器和人機(jī)界面來(lái)說(shuō)仍具挑戰(zhàn)。具體來(lái)說(shuō)，高含水量的水凝膠，一方面，提供獨(dú)特和優(yōu)良的仿生和生物相容性；另一方面，也使得小尺度壓力引起的運(yùn)動(dòng)/變形無(wú)法快速、有效地轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)。在開(kāi)發(fā)高靈敏度水凝膠應(yīng)變傳感器的過(guò)程中，我們通常需要考慮以下三點(diǎn)：
1）高拉伸性和優(yōu)異的導(dǎo)電性，使傳感器本身在承受大變形的同時(shí)，最大限度地實(shí)現(xiàn)從機(jī)械變形到電子信號(hào)的轉(zhuǎn)換；
2）導(dǎo)電水凝膠在受體界面上的強(qiáng)粘附性（避免水凝膠器件的界面脫粘以及傳感性能的喪失）；
3）應(yīng)變傳感器基質(zhì)應(yīng)具備良好的生物相容性。
圖1. ?兩性離子水凝膠應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)、構(gòu)筑及傳感機(jī)理展示。
美國(guó)阿克倫大學(xué)鄭潔教授團(tuán)隊(duì)日前提出一種新型的全聚合物導(dǎo)電水凝膠（poly(HEAA-co-SBAA)/PEDOT: PSS），通過(guò)將PEDOT:PSS直接引入兩性離子物理網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)建特殊的半互穿結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異力學(xué)性能、生物相容性和應(yīng)變傳感的有機(jī)結(jié)合（圖1）。由于其內(nèi)部存在豐富的氫鍵和靜電相互作用，導(dǎo)電水凝膠基質(zhì)不僅彌補(bǔ)傳統(tǒng)兩性離子聚合物凝膠的弱機(jī)械性能，而且實(shí)現(xiàn)超高的拉伸率（4000%~5000%），快速斷裂處修復(fù)（<3min）以及在多種無(wú)孔界面（陶瓷、玻璃、金屬和動(dòng)物組織）的高粘附性（~1700J/m2）（圖2）。
圖2. 兩性離子水凝膠的力學(xué)性能、切口自愈合性以及在多種無(wú)孔固體表面的界面粘附性。
結(jié)合水凝膠基質(zhì)的優(yōu)異力學(xué)性能、高界面粘性和導(dǎo)電性能，兩種類(lèi)型的凝膠傳感器（壓敏和拉伸應(yīng)變型）被進(jìn)一步設(shè)計(jì)，使其能夠穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)人體細(xì)微的動(dòng)作(手指及膝蓋彎曲、聲音、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)脈搏)、水滴滴落和重物質(zhì)量，其在低于900%的大應(yīng)變條件下的靈敏度（GF值）為2.0（圖3）。
圖3. 兩性離子導(dǎo)電水凝膠應(yīng)變傳感器的實(shí)際監(jiān)測(cè)性能。
研究者進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種有趣的力學(xué)感應(yīng)平臺(tái)，以期實(shí)現(xiàn)應(yīng)變響應(yīng)下電信號(hào)和力學(xué)性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而探究傳感過(guò)程與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)間的變化關(guān)系（圖4）。有趣的是，在較低的拉伸速率（20 mm/min）下，研究人員利用該裝置在小應(yīng)變處（~300%）“捕捉”到一個(gè)反常現(xiàn)象：拉伸使傳感器電阻異常變小。值得注意的是這一現(xiàn)象在快拉伸的過(guò)程中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，證明網(wǎng)絡(luò)間的相互作用是時(shí)間和空間相關(guān)的。其可能存在的機(jī)理是：由于凝膠的制備過(guò)程沒(méi)有引入化學(xué)交聯(lián)劑，網(wǎng)絡(luò)間的大量?jī)尚噪x子基團(tuán)和導(dǎo)電聚合物間的離子相互作用呈現(xiàn)一種游離可逆的物理交聯(lián)過(guò)程；較低的拉伸速率使兩性離子網(wǎng)絡(luò)能夠逐漸參與短距離的離子相互作用，優(yōu)化了電荷轉(zhuǎn)移的導(dǎo)電途徑，從而使相對(duì)電阻在早期較小的拉伸應(yīng)變階段暫時(shí)減小。這一反?，F(xiàn)象目前在傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感器未有報(bào)道和詳細(xì)研究。
圖4. 力學(xué)感應(yīng)平臺(tái)的構(gòu)筑、拉伸誘導(dǎo)電阻異常減小現(xiàn)象及機(jī)理展示。
此外，研究還進(jìn)一步地對(duì)比討論了該兩性離子水凝膠基質(zhì)的生物相容性和防蛋白粘附性能，相關(guān)成果日前以“Highly Stretchable, Self-Adhesive, Biocompatible, Conductive Hydrogelsas Fully Polymeric Strain Sensors”為題發(fā)表于《J.Mater. Chem. A》?，第一作者為張冬。該工作不僅報(bào)道了一類(lèi)可替代傳統(tǒng)納米復(fù)合材料或彈性體基的水凝膠應(yīng)變傳感器，在植入性人機(jī)交互和醫(yī)療監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有一定的潛在應(yīng)用價(jià)值，還提供了一種新策略來(lái)實(shí)時(shí)探究網(wǎng)絡(luò)形變和實(shí)際監(jiān)測(cè)信號(hào)變化的相互關(guān)系，從而有助于一些實(shí)驗(yàn)過(guò)程中捕捉到的反?，F(xiàn)象的合理解釋。
