可穿戴柔性傳感器用導(dǎo)電水凝膠的研究進(jìn)展

在生物過(guò)程領(lǐng)域的應(yīng)用水凝膠是親水聚合物鏈在水中通過(guò)親水聚合物鏈獲得的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。它具有高親水性和可接近性，在生物學(xué)領(lǐng)域具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。導(dǎo)電水凝膠作為應(yīng)變或者壓力傳感器，在可穿戴柔性設(shè)備領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值。導(dǎo)電水凝膠被外界拉伸或者壓縮時(shí)，其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)隨之變化，導(dǎo)致電學(xué)性能發(fā)生改變其他性能要求當(dāng)導(dǎo)電水凝膠基柔性傳感器實(shí)際應(yīng)用于可穿戴設(shè)備時(shí)，除了保證其傳感信號(hào)的靈敏度和可靠性之外，還需要水凝膠具有其他性能以滿足實(shí)際應(yīng)用的各種需求。近年來(lái)，研究人員開發(fā)的多功能導(dǎo)電水凝膠在具有良好的機(jī)械敏感性和力學(xué)性能的同時(shí)，還具有抗凍性、保濕性、自黏附性或自愈性等相關(guān)性能，更有利于滿足不同環(huán)境下對(duì)可穿戴設(shè)備的要求生產(chǎn)力性能導(dǎo)電水凝膠的靈敏度對(duì)由其組成的柔性可穿戴設(shè)備的傳感性能至關(guān)重要導(dǎo)電水凝膠表面黏附性導(dǎo)電水凝膠作為可穿戴柔性設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用中往往需要借助膠帶或黏合劑與衣服或者皮膚進(jìn)行貼合，這種不穩(wěn)定的接觸會(huì)直接影響柔性傳感裝置對(duì)微弱生理信號(hào)的檢測(cè)。而具有自黏附性能的導(dǎo)電水凝膠可以與組織建立穩(wěn)定可靠的界面，提高傳感器裝置對(duì)微弱生理信號(hào)的檢測(cè)。水凝膠和接觸界面的表面黏附性主要源于水凝膠與界面間的共價(jià)和/或非共價(jià)相互作用。通過(guò)在導(dǎo)電水凝膠中引入兒茶酚、氨基、羥基或羧基官能團(tuán)，可以與接觸面之間形成亞胺、酰胺或其他共價(jià)鍵導(dǎo)致黏附導(dǎo)電水凝膠的長(zhǎng)期穩(wěn)定性由于其高含水量，導(dǎo)電水凝膠不可避免地會(huì)在低溫度下凍結(jié)，在低相對(duì)濕度條件下失去大量水分。這會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電水凝膠的性能發(fā)生下降，甚至失去其原有的導(dǎo)電性。另外，即便室溫條件下，導(dǎo)電水凝膠中的水分也會(huì)蒸發(fā)，這對(duì)其性能的長(zhǎng)期穩(wěn)定性有一定的影響。因此，導(dǎo)電水凝膠需要一定的抗凍及保濕性能，以滿足低溫環(huán)境下的工作需求，以及提高其長(zhǎng)期使用性。如圖2所示，具有抗凍性能的導(dǎo)電水凝膠即使在-40℃的環(huán)境中，導(dǎo)電性能仍和室溫條件下接近導(dǎo)電水凝膠的自愈合機(jī)制自愈合性能可以增加器件的使用壽命，這對(duì)于提高柔性傳感設(shè)備的耐磨性十分關(guān)鍵。具有自愈合性能的導(dǎo)電水凝膠，發(fā)生一定程度的斷裂后可以在短時(shí)間內(nèi)快速愈合，同時(shí)其電學(xué)和力學(xué)性能也能恢復(fù)。導(dǎo)電水凝膠的自愈合機(jī)制可分為兩類：一類是通過(guò)加熱或者添加自愈劑等外部刺激進(jìn)行自愈合；另一類是利用動(dòng)態(tài)化學(xué)鍵和非共價(jià)相互作用等水凝膠進(jìn)行的自發(fā)相互作用進(jìn)行愈合。最近，Wang等人與可穿戴柔性設(shè)備的其它性能除了傳感、自黏附、抗凍保濕、自愈合性能外，其他與可穿戴柔性設(shè)備相關(guān)的性能也正在研究中。比如透明性，導(dǎo)電水凝膠的透明度是其在柔性傳感可視化領(lǐng)域中所需的重要性能應(yīng)用具有不同性能如抗凍保濕、黏附和自愈性能的導(dǎo)電水凝膠，被廣泛應(yīng)用于柔傳感器、電子皮膚和生物電極柔性可穿戴傳感器導(dǎo)電水凝膠材料具有顯著柔韌性和生物相容性，可以滿足柔性傳感器的特殊要求。目前導(dǎo)電水凝膠在柔性可穿戴傳感器領(lǐng)域已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。Wu等人關(guān)注人性方面的關(guān)注電子皮膚作為人工智能的重要組成部分，在人機(jī)界面、運(yùn)動(dòng)與健康監(jiān)測(cè)、軟機(jī)器人等方面受到廣泛關(guān)注。導(dǎo)電水凝膠由于其順應(yīng)性、生物相容性和導(dǎo)電性能，被視為為電子皮膚的理想選擇。大量研究工作致力于開發(fā)具有高性能的導(dǎo)電水凝膠電子皮膚，旨在實(shí)現(xiàn)不同物理刺激下對(duì)動(dòng)態(tài)變形的感知。在Lei等人的工作中柔性電極材料在醫(yī)療診斷領(lǐng)域中，需要皮膚仿生的柔性電極以確保采集信號(hào)的準(zhǔn)確性和佩戴的舒適性。水凝膠由于其良好的柔韌性、延展性和生物相容性，是柔性電極的理想候選材料。其中具有優(yōu)異傳感性能的導(dǎo)電水凝膠可以實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸、脈搏和聲帶振動(dòng)等發(fā)生微弱形變的生理運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)，因此導(dǎo)電水凝膠可作為柔性電極應(yīng)用于醫(yī)療診斷中導(dǎo)電水凝膠性能在柔性可穿戴傳感設(shè)備中的應(yīng)用近年來(lái)柔性傳感器在包括可穿戴設(shè)備、醫(yī)療電子、機(jī)器人等領(lǐng)域中的應(yīng)用前景引起了研究人員的關(guān)注。其目前人們已經(jīng)開發(fā)了許多導(dǎo)電水凝膠，用于不同工作環(huán)境下的柔性可穿戴傳感設(shè)備。本文主要綜述了導(dǎo)電水凝膠的性能，包括傳感性能、自黏附、抗凍和保濕、自愈合性能，以及其在柔性可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用。雖然導(dǎo)電水凝膠在可穿戴設(shè)備的應(yīng)用中取得了巨大進(jìn)展，但