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南京林业大学韩景泉InfoMat:环境耐受离子凝胶-弹性体多模传感器

摘要

南京林业大学韩景泉教授课题组通过自由基聚合制备了纤维素基导电离子凝胶,结合聚二甲基硅氧烷弹性体封装以及硅烷界面改性策略,实现了外层弹性体与内层离子凝胶的同步形变,研发了一种基于核壳结构透明离子凝胶—弹性体杂化物的新型应变-温度多模传感器件。

 

文章简介

导电凝胶基柔性传感器在软机器人和人机交互等领域有着重要的应用前景。然而,研发具有环境稳定性、长期保水性、生物相容性和光学透光性的凝胶基多模传感器仍面临挑战。近日,南京林业大学韩景泉教授课题组通过自由基聚合制备了纤维素基导电离子凝胶,结合聚二甲基硅氧烷弹性体封装以及硅烷界面改性策略,实现了外层弹性体与内层离子凝胶的同步形变,研发了一种基于核壳结构透明离子凝胶—弹性体杂化物的新型应变-温度多模传感器件。该传感器具有高透光度(~91.2%)、抗疲劳性、长期保水性(>98%)、环境耐受性(工作温度-20~60°C)和良好的生物相容性,可同时实现对温度—应变叠加信号的无干扰采集(电阻温度系数-1.1% °C-1,在-20~60°C宽温度范围内的应变传感灵敏度~3.8),进而可对全范围人体运动进行精准监测。基于此传感器的优异性能,研究人员进一步设计了一种具有生物相适性、光学伪装性、水下信息传输和物体识别功能的非接触式水下传感器件。该工作拓展了凝胶传感器在极端环境下的人体健康监测和水下安全监控等领域的应用。

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图1. (A)水凝胶-弹性体杂化物的制备机理;(B)仿生人类皮肤的器件组装结构;

(C)PAM和S-PAM水凝胶的DSC曲线;(D)S-PAM水凝胶的微观形貌;(E)凝胶-弹性体杂化物的透射率。

基于离子凝胶高的导电性(电导率~5.2),作者将杂化物与电极相连组装成传感器,其可以实时监测0.5%-70%范围内的拉伸应变,并且具有优异的可重复性。除了较好的拉伸敏感性,该传感器还可以监测多种复杂的形变,如压缩、弯曲和扭转等。

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图2. 传感器的电学性能。

作者将组装的传感器固定在人体关节上用于监测人体运动,包括连续的运动(如手指弯曲)、间歇性运动(如手臂弯曲、肌肉运动、走路、抓取物品)、复杂的空间运动(如手臂摇摆、写字)和微小的形变(如敲击、机械震动)。结果表明,传感器在全范围监测人体运动中表现出了快速响应能力和稳定的传感性能。此外,该传感器优异的防水性使其可以被用作水下通信设备传递求救信息。

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图3. 传感器的全范围运动监测。

基于其良好的温度耐受性,该传感器可被用于检测并采集外界环境和人体的温度变化,其优异的温度响应性可归因于高温下由于离子迁移和扩散增强导致的电导率增加。传感器对应变的快速响应,对温度的滞后响应,使其具有双重传感能力,可以不受干扰地同时监测温度和应变。作者将传感器贴于手背上,当温度变化时,传感器可以输出稳定并重复的信号,证明其可以区分瞬时温度波动并具有高度可识别的温度分辨率。

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图4. 传感器的温度响应性。

利用该传感器优异的力学性能、耐久性和温度响应性,作者将多个传感器集成并制备了2 × 2和1 × 4的传感器阵列,每个传感器相当于一个像素点,可以精准识别压力的位置和强度以及温度的变化(图5)。此外,由于其高透光率和防水性,该传感器具有非接触式传感功能,可以被用作水下报警器,根据体积进行一些简单的物体识别。这种具有良好生物相容性的传感器在人机交互和可植入电子器件中展现出巨大应用潜力。

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图5. (A-C) 应变传感阵列;(D, E)温度传感阵列;(F, G) 水下无接触传感;(H-J) 生物相容性。

 

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/inf2.12409?utm_medium=display&utm_source=xmol&utm_campaign=R243R5C&utm_content=DA35_Xmol_Journal_article_campaign_RM-CHINA_AGT_R243R5C_display_inf2.12409


Environment-tolerant ionic hydrogel–elastomer hybrids with robust interfaces, high transparence, and biocompatibility for a mechanical–thermal multimode sensor

Ya Lu, Yiying Yue, Qinqin Ding, Changtong Mei, Xinwu Xu, Shaohua Jiang, Shuijian He, Qinglin Wu, Huining Xiao, Jingquan Han*

DOI: 10.1002/inf2.12409

Citation: InfoMat. 2023, 5(4), e12409

 

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《信息材料(英文)》(InfoMat)创刊于2019年,是由教育部主管,电子科技大学和Wiley出版集团共同主办的开放获取式英文学术期刊(月刊)。本刊聚焦信息技术与材料、物理、能源以及人工智能等新兴交叉领域前沿研究,旨在打造电子信息领域的世界顶尖期刊,推动电子信息技术与多学科交叉的共同发展。期刊2022年度影响因子为22.7,JCI指数2.37,5年影响因子22.7,2022年度CiteScore为35.6,SNIP指标为3.344。在材料科学各领域位列前茅,其中科院分区为材料科学1区Top、材料科学综合1区。期刊先后收录于DOAJ、SCIE、Scopus、CSCD、CAS、INSPEC等数据库。


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