基于自粘接、高拉伸、超敏感導電水凝膠的柔性應變傳感器在人機交互和運動監測方面具有很好的應用前景。傳統的應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，給其實際應用帶來挑戰。本研究制備了由聚丙烯酰胺(PAM)和海藻酸鈉(SA)組成的雙網絡水凝膠，并分別以MXene和蔗糖作為導電材料和網絡增強材料。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。該水凝膠應變傳感器具有優異的拉伸性能(strain >2500%)、高靈敏度(1400%應變時的測量因子為3.76)、可靠的重復性、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，可以區分人體各種強烈或細微的運動，如關節屈曲和咽喉振動。此外，利用全卷積網絡(FCN)算法，該傳感器可應用于英文字母的筆跡識別，并取得了98.1%的筆跡識別準確率。所制備的水凝膠應變傳感器在運動檢測和人機交互方面具有廣闊的應用前景，為柔性可穿戴設備的應用提供了巨大的潛力。
圖1. (a)制備PGMS水凝膠的示意圖。(b)水凝膠內部結構示意圖。(c)水凝膠網絡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水凝膠的拉伸應力-應變曲線。(b)不同蔗糖含量PGMS水凝膠的拉伸應力-應變曲線。(c)不同MXene含量的PGMS水凝膠的拉伸應力-應變曲線。(d) 100 ~ 700%應變范圍內加載/卸載曲線。(e) PGMS水凝膠在500%應變下連續50次加載/卸載曲線。(f)拉伸循環期間的最大應力和耗散能量。(g)不同應變下的壓應力-應變曲線。(h)最大應變為50%時加載/卸載循環壓應力-應變曲線。(i)壓縮循環期間的最大應力和耗散能量。
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力-應變曲線。(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應變傳感器的測量因子曲線。(b) PGMS應變傳感器在0 ~ 100%應變范圍內的拉伸釋放響應曲線。(c) PGMS應變傳感器在不同應變下的重復響應曲線。(d)不同拉伸速率下水凝膠應變傳感器響應曲線比較。(e)傳感器響應/恢復時間。(f)水凝膠拉伸對LED燈泡亮度變化的影響示意圖。(g)水凝膠應變傳感器傳感機理圖。(h)有或無MXene的水凝膠在初始狀態和拉伸狀態下的電導率。(i)水凝膠應變傳感器在50%應變響應下的長期穩定性。
圖5. (a)檢測人體不同部位運動的水凝膠應變傳感器示意圖。(b ~ e) PGMS水凝膠應變傳感器對腕關節運動、手指彎曲、咽喉吞咽和肘關節彎曲的響應。(f)膝關節水凝膠應變傳感器檢測的人體不同轉彎情況的比較。(g, h) PGMS水凝膠應變傳感器對行走和跑步的響應。(i)對不同速度奔跑的反應比較。
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。(c)損失函數和準確度隨訓練周期的變化圖。(d)字母識別結果混淆矩陣。
相關科研成果由中國石油大學控制科學與工程學院Dongzhi Zhang等人于2023年發表在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。
轉自《石墨烯研究》公眾號
