基于自粘接、高拉伸、超敏感导电水凝胶的柔性应变传感器在人机交互和运动监测方面具有很好的应用前景。传统的应变传感器在平衡机械强度、检测功能和灵敏度方面存在困难，给其实际应用带来挑战。本研究制备了由聚丙烯酰胺(PAM)和海藻酸钠(SA)组成的双网络水凝胶，并分别以MXene和蔗糖作为导电材料和网络增强材料。蔗糖可以有效增强水凝胶的机械性能，提高其承受恶劣条件的能力。该水凝胶应变传感器具有优异的拉伸性能(strain >2500%)、高灵敏度(1400%应变时的测量因子为3.76)、可靠的重复性、自黏附性和抗冻能力。高灵敏度的水凝胶可以组装成运动检测传感器，可以区分人体各种强烈或细微的运动，如关节屈曲和咽喉振动。此外，利用全卷积网络(FCN)算法，该传感器可应用于英文字母的笔迹识别，并取得了98.1%的笔迹识别准确率。所制备的水凝胶应变传感器在运动检测和人机交互方面具有广阔的应用前景，为柔性可穿戴设备的应用提供了巨大的潜力。
 
图1. (a)制备PGMS水凝胶的示意图。(b)水凝胶内部结构示意图。(c)水凝胶网络中的分子相互作用示意图。(d)不同SA含量水凝胶的FTIR光谱。(e)不同蔗糖含量水凝胶的FTIR光谱。
 
图2. (a)不同SA含量PAM/SA水凝胶的拉伸应力-应变曲线。(b)不同蔗糖含量PGMS水凝胶的拉伸应力-应变曲线。(c)不同MXene含量的PGMS水凝胶的拉伸应力-应变曲线。(d) 100 ~ 700%应变范围内加载/卸载曲线。(e) PGMS水凝胶在500%应变下连续50次加载/卸载曲线。(f)拉伸循环期间的最大应力和耗散能量。(g)不同应变下的压应力-应变曲线。(h)最大应变为50%时加载/卸载循环压应力-应变曲线。(i)压缩循环期间的最大应力和耗散能量。
 
图3. (a) PGMS水凝胶粘附于各种基板的照片。(b) PGMS水凝胶从皮肤剥离过程的照片。(c)粘在手套上的PGMS水凝胶的照片拉伸到大于1000%的应变。(d)用于粘接强度测试的水凝胶样品示意图。(e)水凝胶在不同基材(木材、亚克力板、纸张)上的黏附曲线。(f) PGMS水凝胶在各种基底上的平均粘附强度。(g)水凝胶在不同基底上连续3次的黏附强度。(h)不同蔗糖含量PGMS水凝胶在低温下的拉伸应力-应变曲线。(i)水凝胶常温和低温拉伸长度比较。(j)水凝胶在60℃干燥箱中保持8 h的水损失。
 
图4. (a) PGMS应变传感器的测量因子曲线。(b) PGMS应变传感器在0 ~ 100%应变范围内的拉伸释放响应曲线。(c) PGMS应变传感器在不同应变下的重复响应曲线。(d)不同拉伸速率下水凝胶应变传感器响应曲线比较。(e)传感器响应/恢复时间。(f)水凝胶拉伸对LED灯泡亮度变化的影响示意图。(g)水凝胶应变传感器传感机理图。(h)有或无MXene的水凝胶在初始状态和拉伸状态下的电导率。(i)水凝胶应变传感器在50%应变响应下的长期稳定性。
 
图5. (a)检测人体不同部位运动的水凝胶应变传感器示意图。(b ~ e) PGMS水凝胶应变传感器对腕关节运动、手指弯曲、咽喉吞咽和肘关节弯曲的响应。(f)膝关节水凝胶应变传感器检测的人体不同转弯情况的比较。(g, h) PGMS水凝胶应变传感器对行走和跑步的响应。(i)对不同速度奔跑的反应比较。
 
图6 (a)用于字母识别的PGMS水凝胶传感器示意图。(b) PGMS水凝胶对四字母书写的响应。(c)损失函数和准确度随训练周期的变化图。(d)字母识别结果混淆矩阵。
 
        相关科研成果由中国石油大学控制科学与工程学院Dongzhi Zhang等人于2023年发表在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。

转自《石墨烯研究》公众号