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

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

本研究設計了一種超可拉伸、可恢復的離子導電水凝膠（雙網(wǎng)絡聚合物水凝膠（SA-Zn）： ZnSO4/海藻酸鈉/聚丙烯酰胺）作為人體運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能力（恢復時間為20min）。自恢復50次后，水凝膠仍然保持了良好的柔韌性、穩(wěn)定的自恢復能力和高導電性。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、有效的識別能力和穩(wěn)定的機電重復性。卓越的性能的SA-Zn-W為 有效地和遠程檢測人體運動提供了一個有前途的解決方案。

圖1-SA-Zn水凝膠的結(jié)構(gòu)。

圖2-水凝膠機械性能以及動態(tài)機理闡釋

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SA-Zn水凝膠長度從0%拉伸到200%時，拉伸應力隨拉伸應變迅速增大，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)出較大的應力，但拉應變較小。當拉伸應變大于200%時，拉伸應力與應變?nèi)员３至己玫木€性關(guān)系，但存在一定的滯后。相比之下，200%以下的拉伸應變范圍較大，應力變化較小，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，有效地擴大了拉伸應變。

其優(yōu)異的自恢復性能是由于水凝膠的動態(tài)相互作用和分子鏈的運動。當外力釋放時，被拉伸的分子鏈收縮并自由纏繞在一起。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)，直到水凝膠恢復原來的形狀。

圖3-用于機械信號轉(zhuǎn)換的SA-Zn-W水凝膠傳感器應用

總之，本研究開發(fā)了一種具有超拉伸和快速自恢復特性的新型天然聚合物離子導電水凝膠。在SA框架結(jié)構(gòu)的基礎上，引入功能單體AA和AM構(gòu)建雙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，增強了SA的力學性能，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)， 離子導電水凝膠 顯示優(yōu)秀的電化學性能與較寬的工作電壓范圍 （-2.5 V—2.5 V） 和穩(wěn)定的導電性。由于其高導電性、良好的彈性和回復性能，利用SA-Zn水凝膠結(jié)合Wi-Fi電子設備作為無線可伸縮傳感器監(jiān)測人體運動，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)運動的遠程監(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動監(jiān)測中顯示出了潛力。

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