仿生水凝膠壓力傳感器，用于實時人機交互和肌肉康復系統

近年來，常規(guī)水凝膠傳感器的研究和開發(fā)取得了重大進展。然而，通過特定的設計或制造策略實現的具有特殊結構的水凝膠的開發(fā)仍然相對較少。

近期，東北大學田野受蘆薈的啟發(fā)，用皮膚成功地制備了一種特殊結構的水凝膠（名為皮膚-聚乙烯醇-聚苯胺-AgNWs，S-PPA）。該方法創(chuàng)新地利用離子和水分子之間的氫鍵相互作用，對水凝膠表面進行處理，以創(chuàng)建保護性皮膚。有保護性皮膚的S-PPA水凝膠具有很強的抗損傷能力（拉伸強度為5 MPa，是無皮膚水凝膠的11倍以上），并具有雙重電導率（內皮膚為0.8 S/m，外皮膚為0.33 S/m）。此外，S-PPA水凝膠還具有保水能力、抗菌性能（對金黃色葡萄球菌的抑制率為89.4%）和對金屬電極的最小腐蝕。

同時，該研究以S-PPA水凝膠為基礎，結合無線藍牙技術和Python編程，開發(fā)了多梯度智能控制和手指肌肉狀況評估等智能應用，實現了實時人機交互?？傮w而言，該研究提出的智能壓敏水凝膠在醫(yī)療康復、人工智能、物聯網等領域顯示出巨大的潛力。相關研究成果以“Aloe Inspired Special Structure Hydrogel Pressure Sensor for Real-Time Human-Computer Interaction and Muscle Rehabilitation System”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上。

S-PPA水凝膠的制備

S-PPA水凝膠的制備過程如下圖所示。在低溫環(huán)境下，PVA分子鏈因水分子取代鍵和空間而發(fā)生卷曲，導致結晶區(qū)的形成。冷凍過程進一步限制了PVA鏈的運動，導致交聯和PPA水凝膠的連接和形成。然后，將獲得的PPA水凝膠在PAAS溶液中浸泡15分鐘，獲得S-PPA水凝膠。當PPA水凝膠與PAAS溶液接觸時，水凝膠內的水分子與PAAS中的COO?基團相互作用，并從水凝膠中剝離，導致PVA聚合物鏈收縮。由于浸泡時間有限（15分鐘），僅去除了PPA表面的水分子。結果，PPA水凝膠表面形成低含水量的PVA表皮（模仿蘆薈葉的表皮和果肉）。

PAAS溶液中PPA水凝膠的脫水可歸因于PAAS溶液的電離，產生帶負電的羧酸基團（COO?），與水凝膠中的水分子相互作用，產生靜電吸引力。這種吸引力導致水分子聚集并通過滲透作用滲透到PAAS分子內部。同時，PAAS分子內的空隙和孔隙可以容納大量的水分子，從而實現高吸水率。

圖1 S-PPA水凝膠制備示意圖

S-PPA水凝膠的機械性能

S-PPA水凝膠上存在致密的表面層，這有助于其顯著提高抗損傷性和更高的形態(tài)穩(wěn)定性。當兩端受到相反方向的拉力時，PPA水凝膠很容易斷裂。相比之下，S-PPA水凝膠在相同的力下不會發(fā)生斷裂。為了進一步研究S-PPA水凝膠的機械特性，該研究利用通用拉伸機并比較了不同PVA濃度。結果表明PVA的濃度影響PPA水凝膠的機械性能。較高濃度的PVA會形成更致密的交聯網絡，從而導致更穩(wěn)定的網絡結構和更高的機械性能。然而，即使在最大PVA濃度（PVA?）下，PPA水凝膠的機械強度也僅為0.44 MPa。

相比之下，PVA?濃度下S-PPA水凝膠的斷裂強度可達到約5 MPa，比PPA水凝膠高11.4倍，這表明S-PPA水凝膠上的保護皮顯著改善了其機械性能。S-PPA的力學性能不僅與PVA濃度有關，還與PAAS的溫度有關。溫度越高，PPA失水越快，結構越致密。

S-PPA水凝膠不僅具有優(yōu)異的抗損傷性，而且還表現出高壓縮性能。不同PVA濃度的PPA水凝膠的壓力曲線表明，較低的PVA濃度會導致更松散的交聯網絡和更高的壓縮應變。然而，不同濃度的PPA水凝膠之間的應變差異并不顯著。此外，水凝膠可以在多個加載循環(huán)中保持穩(wěn)定的性能，而不會出現明顯的變形或損壞。

圖2 S-PPA水凝膠和對照樣品的機械性能

抗菌特性和抗失水

在S-PPA水凝膠中添加AgNWs賦予它們細菌抑制特性。PPA水凝膠和S-PPA水凝膠在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌存在下均表現出顯著的抑制區(qū)，而不含AgNWs的PVA水凝膠和PVA/PANI水凝膠的抑制效果較小。這種抗菌作用歸因于PPA和S-PPA水凝膠中AgNWs的存在。AgNWs可以穿透細菌細胞并與其內部細胞器、DNA和蛋白質發(fā)生化學相互作用。這種相互作用破壞了細菌的正常生物代謝和細胞功能，阻礙了它們的生長、繁殖和活力。因此，水凝膠中摻入的AgNWs可以抑制細菌生長。

與PPA水凝膠相比，S-PPA水凝膠中外“皮”層的存在賦予其保水性能。將S-PPA和PPA水凝膠均暴露于80°C的烤箱中，并以20分鐘的間隔測量水凝膠的重量。結果清楚地表明，在相同的高溫條件下，與S-PPA水凝膠相比，PPA水凝膠的失水率要高得多。這一觀察結果表明，S-PPA水凝膠表面致密的PVA網絡在防止水凝膠蒸發(fā)和隨后損失水分子方面發(fā)揮著至關重要的作用。致密的網絡結構充當屏障，限制水分子擴散出水凝膠基質。因此，與PPA水凝膠相比，S-PPA水凝膠可以更好地保留水分并更長時間地保持其水合狀態(tài)。

圖3 S-PPA水凝膠抗菌、電性能、空氣中失水率和抗腐蝕性能

壓敏信號監(jiān)測與多梯度智能控制

S-PPA水凝膠表現出高壓縮性和可變形性，這使得它們在受到外部壓力時能夠改變其電性能。水凝膠的內部微觀結構在施加壓力時發(fā)生變化，導致電荷傳輸路徑和阻抗發(fā)生變化。這些變化可以通過電氣測量來測量和量化，從而實現壓力信號的傳感和測量。S-PPA水凝膠的電阻表現出與不同重量施加的壓力相對應的變化，表明其對壓力刺激的敏感性。且該材料具有良好的壓敏穩(wěn)定性，能夠抵抗多次壓縮的疲勞影響。與其他水凝膠壓力傳感器相比，S-PPA水凝膠表現出更高的壓力靈敏度。

圖4 S-PPA水凝膠壓力傳感器的壓敏性能及智能控制應用

實時人機交互和肌肉康復系統

該研究利用基于S-PPA水凝膠的傳感器、無線藍牙數據傳輸和Python數據可視化技術開發(fā)了先進的人機交互系統。該系統專門設計用于評估肌肉力量、控制力和耐力，特別是手指肌肉。S-PPA水凝膠用作檢測手指按壓的靈敏傳感器。

當壓力施加到水凝膠上時，它會發(fā)生變形，導致電阻變化。通過無線藍牙技術將S-PPA水凝膠傳感器連接到數據采集設備，可以捕獲并傳輸實時電阻值以進行監(jiān)測。然后使用Python數據可視化技術對收集到的數據進行處理和分析，使其以圖表和曲線的形式呈現。系統的交互界面使患者能夠根據提供的圖表按下S-PPA水凝膠來與系統交互。該用戶界面有利于以目標為導向的肌肉評估，并為用戶提供實時反饋和指導。

圖5 實時人機交互與肌肉康復系統

總之，受蘆薈的啟發(fā)，該研究提出了一種帶有皮膚的特殊結構水凝膠壓力傳感器，稱為S-PPA水凝膠。通過去除PVA基水凝膠表面的水分子，在水凝膠表面形成低含水量的保護皮。表皮對水凝膠具有極強的抗損傷能力，與無表皮的水凝膠相比，其斷裂強度高出11倍以上（約5 MPa）。此外，PVA與PANI和AgNWs的組合賦予S-PPA水凝膠雙重電導率、壓力敏感性和抗菌特性。

利用S-PPA優(yōu)異的壓力傳感特性，結合無線藍牙技術，該研究成功實現了通用電子設備操作的多梯度智能壓力控制。此外，結合Python編程，開發(fā)了基于S-PPA水凝膠的實時肌肉評估和訓練系統。通過康復系統，可以實時觀察肌肉力量和耐力，實現人機交互。S-PPA水凝膠結合人工智能、物聯網、5G等新一代智能技術，在人體肌肉康復、生物醫(yī)學工程等領域具有巨大的應用潛力。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202308175