多功能柔性可穿戴式傳感器介紹

柔性傳感器在遠(yuǎn)程健康監(jiān)測、身體運(yùn)動(dòng)跟蹤、電子皮膚、人機(jī)界面和軟體機(jī)器人技術(shù)中顯示出巨大的潛力。水凝膠具有出色的拉伸性、柔性和生物相容性，使其成為柔性可穿戴式傳感器的有吸引力的候選材料。近年來，人們通過利用官能團(tuán)/添加劑/納米填料來修飾水凝膠網(wǎng)絡(luò)，致力于開發(fā)導(dǎo)電水凝膠，以實(shí)現(xiàn)多功能可穿戴式傳感。

*水凝膠可穿戴柔性傳感器

以下研究綜述了水凝膠在汗液采樣、柔性電極、應(yīng)變/壓力傳感器和觸控面板等柔性可穿戴式傳感器中的最新應(yīng)用進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了具有自修復(fù)、自粘附或抗凍性能的基于多功能導(dǎo)電水凝膠的柔性可穿戴式傳感器，并簡要介紹了導(dǎo)電水凝膠的代表性合成方法和策略。

導(dǎo)電水凝膠的設(shè)計(jì)與制備

受水凝膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)和合成方法的啟發(fā)，導(dǎo)電水凝膠可通過將提供結(jié)構(gòu)支撐的傳統(tǒng)水凝膠和提供導(dǎo)電性的各種導(dǎo)電填料復(fù)合制得。如圖所示，導(dǎo)電水凝膠的設(shè)計(jì)和合成方法主要有四種： A)通過溶解離子鹽獲得離子導(dǎo)電水凝膠 B)通過摻雜分子直接交聯(lián)導(dǎo)電材料 C)水凝膠前驅(qū)體與導(dǎo)電填料懸浮液的凝膠化 D)導(dǎo)電聚合物在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的原位聚合

*導(dǎo)電水凝膠的主要制備方法

基于水凝膠的柔性可穿戴式傳感器

水凝膠材料具有顯著的特性（如柔性、可拉伸性和生物相容性），可滿足可穿戴式傳感器的特殊需求，用于柔性可穿戴式傳感器的水凝膠已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。

*水凝膠在柔性可穿戴式傳感器中的應(yīng)用

汗液采樣

汗液采樣是汗液分析中的關(guān)鍵步驟，對(duì)汗液分析結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性有重要影響。水凝膠是具有超強(qiáng)吸水能力和良好保水性的親水交聯(lián)聚合物，可作為可穿戴式汗液采樣傳感器的基板。然而，使用水凝膠材料進(jìn)行汗液采樣的方法不能有效地將皮膚上的汗液與周圍環(huán)境分開，增加了汗液被污染的可能性，使汗液的精準(zhǔn)采集和儲(chǔ)存受到限制。

*水凝膠材質(zhì)的汗液傳感器

柔性電極

柔性電極具有類似皮膚的機(jī)械性能，可以順應(yīng)性地附著在皮膚上，確保信號(hào)的準(zhǔn)確性和佩戴的舒適性。水凝膠具有良好的柔性、拉伸性和生物相容性，已被證明適用于柔性電極。此外，作為基底的水凝膠還可以與彈性體結(jié)合用于柔性電極，但此類水凝膠的柔性電極大多韌性和耐久性較差。未來的研究應(yīng)致力于有效延長水凝膠柔性電極的使用壽命，如提高水凝膠的力學(xué)性能，特別是韌性，或賦予水凝膠自修復(fù)能力。

*水凝膠材質(zhì)的柔性電極

多功能導(dǎo)電水凝膠傳感器

導(dǎo)電水凝膠在可穿戴式傳感器領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。水凝膠的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在外部刺激下會(huì)發(fā)生變形，從而改變水凝膠的電阻或電導(dǎo)率。各種具有抗凍、自粘附或自修復(fù)性能的導(dǎo)電水凝膠已被廣泛應(yīng)用于可進(jìn)行人體健康和活動(dòng)監(jiān)測的柔性可穿戴式傳感器之中。

*水凝膠柔性傳感器在人體活動(dòng)檢測中的應(yīng)用 自修復(fù)可穿戴式傳感器。柔性可穿戴式傳感器在實(shí)際應(yīng)用中需要更加具有耐用性，能夠“感知”和快速修復(fù)損傷的自修復(fù)能力可以有效延長傳感器的使用壽命。設(shè)計(jì)水凝膠的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已被證明是制造自修復(fù)柔性傳感器的有效方法?？蒲腥藛T設(shè)計(jì)和開發(fā)了一類新型超分子海藻酸鈉納米纖維雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，其具有高應(yīng)變敏感性、高透明度和自修復(fù)性等特性。

*A. 由無定形碳酸鈣與藻酸鹽/聚丙烯酸交聯(lián)而成的自修復(fù)離子水凝膠
*B. 具有高應(yīng)變靈敏度和自修復(fù)能力的海藻酸鈉/聚丙烯酰胺超分子離子水凝膠傳感器

自粘附可穿戴式傳感器。大多數(shù)水凝膠傳感器都需要額外的膠帶或繃帶貼在皮膚或衣服上，這使得傳感器無法檢測到微弱的信號(hào)，極大地阻礙了其在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用。此外，由于水凝膠的韌性和粘附性之間存在著固有折中關(guān)系，大多數(shù)粘附性水凝膠通常表現(xiàn)出較差的韌性。近年來，一些具有良好的自粘性和機(jī)械性能的水凝膠應(yīng)變傳感器被開發(fā)出來。

*基于導(dǎo)電水凝膠的自粘附可穿戴式應(yīng)變傳感器。

抗凍可穿戴式傳感器。抗凍性能是設(shè)計(jì)和制備水凝膠應(yīng)變傳感器的另一個(gè)重要指標(biāo)。水在零度以下的溫度下會(huì)在水凝膠中結(jié)冰，這不可避免地會(huì)影響水凝膠原有的柔性和導(dǎo)電性。將這種抗凍特性擴(kuò)展到水凝膠，基于水凝膠的抗凍傳感器可以在低溫下保持自身的穩(wěn)定性而提高其實(shí)用性。此外，水凝膠傳感器的抗凍特性還可以保護(hù)人體皮膚免受凍傷的傷害。

*以PDA修飾的CNT作為導(dǎo)電材料的抗凍甘油-水凝膠型可穿戴式應(yīng)變傳感器

多功能可穿戴式傳感器。近年來，用于可穿戴式傳感器的具有自修復(fù)、自粘附或抗凍性能等不同特性的智能導(dǎo)電水凝膠的研發(fā)取得了顯著進(jìn)展。但大多數(shù)報(bào)道的導(dǎo)電水凝膠僅具有一種特定功能或單調(diào)刺激響應(yīng)性，這與可穿戴式應(yīng)變傳感器實(shí)際應(yīng)用所需多種功能不匹配。目前，開發(fā)兼具良好的機(jī)械性能、自修復(fù)能力、粘附性、抗凍性和生物相容性等綜合多種特性的多功能導(dǎo)電水凝膠可穿戴式傳感器已成為研究熱點(diǎn)。

科研人員設(shè)計(jì)并制備了導(dǎo)電納米復(fù)合水凝膠，其原理是在甘油-水二元溶劑中對(duì)甲基丙烯酸低聚(乙二醇)酯(OEGMA)單體進(jìn)行原位聚合，其中無機(jī)粘土作為具有極強(qiáng)力學(xué)性能的物理交聯(lián)劑，并提供導(dǎo)電離子。所得水凝膠不僅表現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性和可拉伸性能，而且具有良好的導(dǎo)電性，使得基于該水凝膠的傳感器可以快速穩(wěn)定地檢測到手指細(xì)微的運(yùn)動(dòng)。

*甘油-水納米復(fù)合水凝膠應(yīng)變傳感器顯示出優(yōu)異的抗凍能力、可調(diào)節(jié)的熱響應(yīng)性和自修復(fù)性能

觸控面板

隨著人機(jī)交互應(yīng)用的快速發(fā)展，柔性觸控面板為人機(jī)交互提供了簡單直觀的界面，引起了極大的研究興趣。觸摸面板需要具有柔性、可拉伸性和生物相容性，并融入各種傳感器與人體互動(dòng)。具有高導(dǎo)電性、優(yōu)異柔韌性和生物相容性的導(dǎo)電水凝膠可以滿足這些要求，成為新一代觸控面板的關(guān)鍵組成部分。

*基于導(dǎo)電水凝膠的代表性觸控面板

以上研究綜述了近年來基于水凝膠（包括導(dǎo)電水凝膠）的柔性可穿戴式傳感器的最新進(jìn)展，主要包括導(dǎo)電水凝膠的設(shè)計(jì)和制造，以及基于水凝膠的柔性可穿戴式傳感器的附加功能的實(shí)際應(yīng)用開發(fā)?；趯?dǎo)電水凝膠的柔性可穿戴式傳感器的制備和性能遠(yuǎn)未達(dá)到商業(yè)化的要求。為了實(shí)現(xiàn)基于導(dǎo)電水凝膠的可穿戴式傳感器的高效商業(yè)化，傳感器的小型化和輕量化至關(guān)重要。

審核編輯 ：李倩