基于自粘接、高拉伸、超敏感導(dǎo)電水凝膠的柔性應(yīng)變傳感器在人機交互和運動監(jiān)測方面具有很好的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感器在平衡機械強度、檢測功能和靈敏度方面存在困難，給其實際應(yīng)用帶來挑戰(zhàn)。本研究制備了由聚丙烯酰胺(PAM)和海藻酸鈉(SA)組成的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，并分別以MXene和蔗糖作為導(dǎo)電材料和網(wǎng)絡(luò)增強材料。蔗糖可以有效增強水凝膠的機械性能，提高其承受惡劣條件的能力。該水凝膠應(yīng)變傳感器具有優(yōu)異的拉伸性能(strain >2500%)、高靈敏度(1400%應(yīng)變時的測量因子為3.76)、可靠的重復(fù)性、自黏附性和抗凍能力。高靈敏度的水凝膠可以組裝成運動檢測傳感器，可以區(qū)分人體各種強烈或細(xì)微的運動，如關(guān)節(jié)屈曲和咽喉振動。此外，利用全卷積網(wǎng)絡(luò)(FCN)算法，該傳感器可應(yīng)用于英文字母的筆跡識別，并取得了98.1%的筆跡識別準(zhǔn)確率。所制備的水凝膠應(yīng)變傳感器在運動檢測和人機交互方面具有廣闊的應(yīng)用前景，為柔性可穿戴設(shè)備的應(yīng)用提供了巨大的潛力。
圖1. (a)制備PGMS水凝膠的示意圖。(b)水凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。(c)水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的分子相互作用示意圖。(d)不同SA含量水凝膠的FTIR光譜。(e)不同蔗糖含量水凝膠的FTIR光譜。
圖2. (a)不同SA含量PAM/SA水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b)不同蔗糖含量PGMS水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(c)不同MXene含量的PGMS水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(d) 100 ~ 700%應(yīng)變范圍內(nèi)加載/卸載曲線。(e) PGMS水凝膠在500%應(yīng)變下連續(xù)50次加載/卸載曲線。(f)拉伸循環(huán)期間的最大應(yīng)力和耗散能量。(g)不同應(yīng)變下的壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(h)最大應(yīng)變?yōu)?0%時加載/卸載循環(huán)壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(i)壓縮循環(huán)期間的最大應(yīng)力和耗散能量。
圖3. (a) PGMS水凝膠粘附于各種基板的照片。(b) PGMS水凝膠從皮膚剝離過程的照片。(c)粘在手套上的PGMS水凝膠的照片拉伸到大于1000%的應(yīng)變。(d)用于粘接強度測試的水凝膠樣品示意圖。(e)水凝膠在不同基材(木材、亞克力板、紙張)上的黏附曲線。(f) PGMS水凝膠在各種基底上的平均粘附強度。(g)水凝膠在不同基底上連續(xù)3次的黏附強度。(h)不同蔗糖含量PGMS水凝膠在低溫下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(i)水凝膠常溫和低溫拉伸長度比較。(j)水凝膠在60℃干燥箱中保持8 h的水損失。
圖4. (a) PGMS應(yīng)變傳感器的測量因子曲線。(b) PGMS應(yīng)變傳感器在0 ~ 100%應(yīng)變范圍內(nèi)的拉伸釋放響應(yīng)曲線。(c) PGMS應(yīng)變傳感器在不同應(yīng)變下的重復(fù)響應(yīng)曲線。(d)不同拉伸速率下水凝膠應(yīng)變傳感器響應(yīng)曲線比較。(e)傳感器響應(yīng)/恢復(fù)時間。(f)水凝膠拉伸對LED燈泡亮度變化的影響示意圖。(g)水凝膠應(yīng)變傳感器傳感機理圖。(h)有或無MXene的水凝膠在初始狀態(tài)和拉伸狀態(tài)下的電導(dǎo)率。(i)水凝膠應(yīng)變傳感器在50%應(yīng)變響應(yīng)下的長期穩(wěn)定性。
圖5. (a)檢測人體不同部位運動的水凝膠應(yīng)變傳感器示意圖。(b ~ e) PGMS水凝膠應(yīng)變傳感器對腕關(guān)節(jié)運動、手指彎曲、咽喉吞咽和肘關(guān)節(jié)彎曲的響應(yīng)。(f)膝關(guān)節(jié)水凝膠應(yīng)變傳感器檢測的人體不同轉(zhuǎn)彎情況的比較。(g, h) PGMS水凝膠應(yīng)變傳感器對行走和跑步的響應(yīng)。(i)對不同速度奔跑的反應(yīng)比較。
圖6 (a)用于字母識別的PGMS水凝膠傳感器示意圖。(b) PGMS水凝膠對四字母書寫的響應(yīng)。(c)損失函數(shù)和準(zhǔn)確度隨訓(xùn)練周期的變化圖。(d)字母識別結(jié)果混淆矩陣。
相關(guān)科研成果由中國石油大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院Dongzhi Zhang等人于2023年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces（https://pubs.acs.org/10.1021/acsami.3c02014）上。原文：Self-Adhesive, Anti-Freezing MXene-Based Hydrogel Strain Sensor for Motion Monitoring and Handwriting Recognition with Deep Learning。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
