《AM》综述：用于水下可穿戴传感的防水导电凝胶

以下文章来源于EngineeringForLife ，作者EFL

导电凝胶由于其固有的导电性、柔软性、拉伸性和生物相容性，作为优良的可穿戴传感材料一直在蓬勃发展，在我们生活的许多方面显示出巨大的潜力。然而，与在陆地上的广泛应用相比，传统导电凝胶在水下实现传感应用意义重大，但也颇具挑战性。凝胶的溶胀和水性环境中导电成分的损失是由于界面扩散造成的，导致结构不稳定和传感性能下降。幸运的是，近年来人们致力于提高导电凝胶的耐水性并将其应用于水下可穿戴传感领域，并取得了一些令人振奋的成果，对促进水下活动的安全和高效具有重要意义。然而，还没有综述全面总结导电凝胶的水下传感应用。

近日，来自中国科学院宁波材料技术与工程研究所的陈涛研究员团队简要概述了开发防水导电凝胶的代表性设计策略及其在水下传感领域作为可穿戴传感器的多样化应用。最后，还讨论了进一步开发用于水下可穿戴传感的防水导电凝胶的持续挑战以及对未来的建议（图1）。相关论文“Water-Resistant Conductive gels toward Underwater Wearable Sensing”于2023年3月1日发表于杂志《Advanced Materials》上。

随着物联网时代的到来，可穿戴传感器引起了极大的关注，并经历了一段蓬勃发展的时期。与传统的基于刚性材料的可穿戴传感设备相比，基于柔性传感材料的类皮肤可穿戴传感器由于其良好的灵活性和适应性，能够与柔软和动态的皮肤共形集成。这种传感器和皮肤之间没有间隙的共形集成可以有效提高可穿戴传感器的灵敏度，并更准确地监测人体的细微变化。在各种柔性传感材料中，如柔性金属、导电聚合物和碳材料，导电凝胶因其在柔软性、拉伸性、透明度、附着力、自愈性和变色能力方面的优异物理化学财产而被认为是最有希望的耐磨传感器候选材料之一（图2）。

首先，作者简要概述了开发防水导电凝胶的代表性设计策略。（1）通过用额外的防水膜封装导电凝胶来隔离凝胶与水环境之间的接触是获得水下稳定导电凝胶并实现其水下传感应用的最简单方法。构建包装体系结构，如将弹性体与水凝胶结合是常见的方式（图3）。（2）一些研究人员提出构建具有疏水聚合物网络的疏水凝胶，以抑制凝胶在水环境中的溶胀行为，提高水下应用的导电凝胶的结构和功能稳定性（图4）。（3）设计聚合物链之间的多重交联相互作用（例如共价键、氢键、静电相互作用、疏水缔合、金属配位等）的策略，可以提高凝胶的交联密度并抑制其在水中的溶胀行为，在防水导电凝胶领域引起了广泛关注（图5）。

采用上述策略的防水设计实现的水下稳定性（包括抗膨胀能力、防漏性和稳定导电性）是导电凝胶水下传感应用的基本要求。除此之外，还必须开发具有附加功能的水下凝胶传感器，如高拉伸性、水下附着力、水下自修复性、可回收性、3D打印性等。这些源自特殊材料设计的多功能导电凝胶将大大提高水下凝胶传感器的加工技术传感性能和实用性（图6）。

之后，作者介绍了水下传感器的应用，如运动感知（图7）、健康监测（图8）、水下通信（图9）和环境分析（图10）。

最后，作者讨论了进一步开发用于水下可穿戴传感的防水导电凝胶所面临的挑战以及未来的建议。

首先，导电凝胶的水下传感机理和模型需要进一步研究和改进。尽管具有水下传感能力的防水导电凝胶已经成功开发，但其在水下环境中的传感性能通常低于陆地，尤其是在海洋和其他实际场景中，水环境对传感性能的影响机制仍有待进一步阐明，这将为开发具有更优异水下传感性能的凝胶传感器提供设计指导。

第二，尽管许多报告在其研究中提到了防水导电凝胶的水下稳定性，但这些评估方法不完整且缺乏说服力，更侧重于短期抗溶胀性，而缺乏更全面和长期的稳定性研究。因此，有必要建立规范的表征方法和评价标准来研究水下凝胶传感器的水下稳定性。

第三，设计具有额外功能的防水导电凝胶以制造多功能水下可穿戴传感器值得付出更多努力。

第四，为了满足水下应用的实际需求，必须为基于防水凝胶的可穿戴传感器开发更多新技术。

此外，具有用于多刺激感知或/和多技术集成的多功能单元的一体式水下凝胶传感系统是另一个悬而未决的问题。系统集成的主要限制，包括消除不同传感能力之间的串扰，实现“软”凝胶材料和“硬”电子元件之间的稳定界面连接，可以通过平面结构工程、多模态表征和软电子元件的先进材料设计来解决。

文章来源：

https://doi.org/10.1002/adma.202211758

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