柔性傳感器被廣泛應(yīng)用于溫度、應(yīng)變/應(yīng)力、心電信號（ECG）等的監(jiān)測，在人體健康和運動監(jiān)測等方面有非常重要的前景。薄膜傳感器——包括離子導(dǎo)電水凝膠的薄膜傳感器——能與皮膚共形、無感貼合，界面阻抗小，利于獲得高質(zhì)量的信號監(jiān)測，使其適用于連續(xù)監(jiān)測和長期佩戴的場景，如智能穿戴設(shè)備和醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)。然而，大多數(shù)水凝膠薄膜力學(xué)性能較差，表面積大，易失水，低溫下易結(jié)冰，導(dǎo)致機械性能和傳感性能喪失。研究和開發(fā)強韌、抗失水、抗凍的薄膜水凝膠傳感器，是推動其在柔性可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。
圖1 基于互穿網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的復(fù)合有機水凝膠
聚氨酯與水凝膠的模量差異較大，其互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可有效避免裂紋尖端的應(yīng)力集中，呈現(xiàn)裂紋尖端鈍化現(xiàn)象（圖3a-c）。通過比較有機水凝膠、聚氨酯膜及復(fù)合水凝膠的斷裂能發(fā)現(xiàn)，復(fù)合有機水凝膠的斷裂能大幅提高，達到10000 J/m2（圖3d），與橡膠的斷裂能相當。經(jīng)過1000次重復(fù)拉伸（50%應(yīng)變）后，裂紋的寬度幾乎保持不變（圖3e），表明互穿網(wǎng)絡(luò)設(shè)計能夠有效地抵抗裂紋擴展。
復(fù)合有機水凝膠薄膜傳感器具有良好的抗失水性及機電響應(yīng)魯棒性。柔軟的薄膜能夠與人體皮膚緊密共形貼合且同步變形，準確監(jiān)測人體關(guān)節(jié)的運動，薄膜具有良好的透氣性（1200 g/m2/day），大于人體皮膚通常的排汗速度，利于保持界面干爽，避免濕氣累積導(dǎo)致的不適感。
圖5 薄膜傳感器應(yīng)用于全天候膝關(guān)節(jié)運動監(jiān)測。
該研究利用靜電紡絲納米網(wǎng)與水凝膠互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)解決了超薄膜凝膠傳感器機械性能差的難題，結(jié)合抗凍、抗失水技術(shù)，為研究開發(fā)透氣、超強韌、長期穩(wěn)定的超薄膜應(yīng)變傳感器提供了新的思路，有望推動超薄膜柔性傳感器在人機界面、類人機器人、可穿戴/可植入柔性電子器件方面的應(yīng)用。
該項研究以“Breathable Ultra-thin Film Sensors Based on Nanomesh Reinforced Anti-dehydrating Organohydrogels for Motion Monitoring”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials。文章的第一作者是中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2022級碩士研究生朱燦杰，付俊教授和中國散裂中子源楊華博士為共同通訊作者。該工作得到了國家自然基金（22375225）的支持。
全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202411725
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