研究背景
近来，可穿戴和便携式传感电子产品引起了人们的广泛关注，并极大地推动了物联网的发展。其中，可贴在人体皮肤或衣服上的柔性应变传感器能够适应各种机械变形，并将其实时转换成可检测的电信号，可广泛应用于运动监测、手势识别、生理信号监测等。为了更有效地检测，最重要的是应变传感器需要同时满足高灵敏度和宽应变检测范围的要求。应变传感器的灵敏度主要取决于其传感机制。一般来说，刚性导电薄膜中裂纹的产生和传播或网络结构中组成元素之间的断开都会导致电阻的急剧变化，最终导致传感材料的超高灵敏度。此外，传感器的宽应变检测范围是非常理想的，不仅可以监测大的人体运动(≈50%)，还可以监测细微的人体运动(<1%)， 这可以大大拓宽设备的应用范围。因此，应变传感器的灵活性和伸展性需要改进，以提高机械顺应性和扩大应变检测范围。为了解决这些问题，人们致力于开发可拉伸的应变传感器，将各种高导电性的纳米材料，包括金属纳米颗粒、银纳米线、MXene、碳纳米管(CNTs)、石墨烯，集成或嵌入到弹性聚合物基底上，表现出高性能的应变感应能力。
尽管取得了这些进展，但在开发应变传感器方面仍有一些固有的挑战。首先，高灵敏度和宽广的应变感应范围是目前应变传感器的一个困境。其次，这些传统传感材料的制造过程和成本相对较高，而且由于其非拉伸性，在拉伸过程中容易出现不可逆的损坏，并表现出较差的机械顺应性。需要开发新的具有成本效益和内在可拉伸性的传感材料，同时确保准确和稳定的应变感应。最后，水下应变检测需求迫切，特别是在游泳运动中具有重要的实际意义，需要提高设备的环境耐受性以扩大应用场景的范围。因此，开发低成本、可靠的、具有高灵敏度和全检测范围、能在各种环境下工作的可穿戴式应变传感器是一个挑战。
研究成果
可拉伸的基于水凝胶的应变传感器的灵敏度有限，这迫切需要进一步的突破，以实现精确和稳定的人机互动。在此，中山大学吴进教授课题组提出了一种有效的微结构工程策略，通过在两层Ecoflex薄膜之间夹入乳化聚合的聚丙烯酰胺（PAM）有机水凝胶微球膜，在拉伸时伴随着裂纹的产生和传播效应，显著提高了基于水凝胶的应变传感器的灵敏度。因此，所开发的应变传感器表现出超高的灵敏度(测量因子(GF)为1275)、宽的检测范围(100%应变)、 低滞后、超低的检测极限(0.05%应变)、 良好的抗疲劳性和低制造成本。此外，由于Ecoflex 薄膜的封装以及甘油和氯化钾的加入，该传感器具有良好的防水、脱水和抗冻性，能够在各种复杂条件下进行实时应变监测。通过进一步的结构处理，该装置对微小的应变实现了卓越的响应，在小于1.5%的应变范围内，GF 值为98.3。由于高应变传感性能，该传感器能够检测到从吞咽到手指弯曲的各种人类活动，甚至在水中。在此基础上，成功展示了一个具有呼吸暂停警告和单通道手势识别能力的无线传感系统，显示了其作为可穿戴电子产品的巨大前景。相关研究以“High-Performance Strain Sensors Based on Organohydrogel Microsphere Film for Wearable Human–Computer Interfacing”为题发表在Advanced Science期刊上。
研究亮点
1. 首次利用PAM有机水凝胶微球膜作为新型传感层，开发了一种电阻式可拉伸应变传感器，该传感器表现出超高的灵敏度。
2. 开发了一个基于所开发的有机水凝胶微球裂纹应变传感器和特定电路的无线传感系统，实现了实时呼吸暂停报警和单通道手势识别。
3. 这项研究为制造高性能的水凝胶基传感器提供了一个新颖有效的思路，它可以在健康监测、软体机器人和人工智能领域发挥重要作用。
图文导读
Figure 1. Fabrication processes and application prospect of the PAM organohydrogel microsphere membrane-based strain sensor.
Figure 2. a) SEM images of the dried microspheres. b) DSC curves of the hydrogels， ionic hydrogels, and ionic organohydrogel microspheres. c) Resistance evolution of a series of organohydrogels immersed with defined volume ratios of Gly/water (1:1) and different KCl concentrations (0.01, 0.1, 0.5, and 1 m) when exposed to 25 °C and 60% RH for different time. d) Resistance curves of the organohydrogels with different volume ratios of Gly/water(0:3, 1:2, 1:1, and 2:1) versus the soaked KCl concentration from 0.01 to 1 m. e) Water-retaining ability of the PAM organohydrogels with 0.1 m KCl concentration and different volume ratios of Gly/water under 25 °C and 60% RH. f) Weight loss of the organohydrogels with different KCl concentration(0, 0.01, 0.1, 0.5, and 1 m) and different volume ratios of Gly/water (0:3, 1:2, 1:1, and 2:1) after placing at 25 °C for 48 h.
Figure 3. Sensing mechanism and electromechanical response of the crack-based strain sensor.
Figure 4. a) Photographs of sensors with 2 and 8 mm wide sensing layers at 5% strain. b) Dynamic response of the 2 mm wide strain sensor to small strains of 0.5–2.5%. c) The response–strain curve of the 2 mm wide strain sensor and its linear fitting curve in different strain ranges. d) Analyses of the response (tres) and recovery time (trec) of the strain sensor from the dynamic response–recovery curve to 10% strain. e) The durability test of the strain sensor under repeated strain of 60% for 2100 cycles. f) Photographs of the microsphere membrane-based sensor before and after being stretched to 100% after placing at −21 °C for 12 h. g) Response versus strain curve of the sensor at different temperatures. h) Performance comparison of the developed sensor with other typical hydrogel-based strain sensors， including the sensitivity， LOD， and operating temperature range.
Figure 5. Demonstration of various applications of the organohydrogel microsphere sensor.
Figure 6. Wireless human–computer interaction system based on the strain sensor.
总结与展望
总之，通过乳液聚合，然后浸泡在KCI/Gly/水混合物中，制备了直径为50至700 μm的PAM有机水凝胶微球。通过将由这些微球组成的稳定的导电膜夹在两层Ecoflex薄膜之间，构建了一个基于裂缝的应变传感器，能够对拉伸变形作出可逆和稳定的反应，通过调节传感层的宽度，实现了对大应变和小应变的超高响应，在40-90%和0-1.5%的应变范围内GF值分别为1275和98.3。这代表了基于水凝胶的传感器的最先进的性能标准。通过引入氯化钾和甘油，所获得的有机水凝胶的导电性、抗干燥和抗冻能力得到了极大的提高，保证了应变传感器良好的环境耐受性.。还探讨了KCI 和甘油对最终传感器灵敏度的影响，并确定最佳KCI浓度和Gly/水的体积比分别为0.1m和1: 1。优异的灵敏度可以归因于微球之间的断裂和拉伸过程中传感层的裂纹扩展。因此，该应变传感器可以对各种人类活动进行敏感检测，如关节运动、吞咽和呼吸，甚至在水下。由于Ecoflex 薄膜的封装，该传感器可以在水中正常工作，能够进行敏感的水下运动监测和水深检测。此外，作者还通过将特定电路与可穿戴传感器相结合，开发了用于呼吸暂停报警和手势识别的无线传感系统，为实现人机互动和多样化的医疗保健应用提供了更有效的方法。
文献链接
High-Performance Strain Sensors Based on Organohydrogel Microsphere Film for Wearable Human–Computer Interfacing
https://doi.org/10.1002/advs.202205632
转自：“i学术i科研”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
