近年来，柔性传感器在人体健康/运动监测、电子皮肤和人工智能等领域受到广泛关注。作为柔性传感器的材料需同时具备优异的力学性能（高强度、高延展性、高弹性）、感知性能（高灵敏度、宽应变响应范围）、贴合性、低能耗、生物相容性、易大规模制备等特点。然而，对于如何实现柔性传感器集上述多种性能于一体，目前仍面临很大挑战，使其在实际中的应用受阻。最近，
青岛大学材料科学与工程学院
隋坤艳教授
和美国马里兰大学帕克分校化学与生物化学系
聂志鸿教授
，
受人体皮肤组成以及传感原理的启发，研发出一种基于海藻多糖超分子纳米纤维水凝胶的离子皮肤传感器。
该研究采用一价无机盐(如NaCl)诱导半刚性海藻酸钠（SA）分子自组装形成基于多重氢键的超分子纳米纤维网络作为能量耗散网络，聚丙烯酰胺（PAM）化学交联网络依然作为支撑弹性网络；与此同时，NaCl和SA亦可提供大量的导电离子赋予水凝胶高的导电性，从而实现水凝胶中力学网络和导电网络二者之间协同效应机制的构筑。基于此，该水凝胶从组成上和结构上（SA纳米纤维、PAM弹性网络、NaCl）可模拟人体皮肤（胶原蛋白纤维、弹性纤维、无机盐）。制备得到的水凝胶呈现出高透明度(99.6%)、高拉伸强度(0.75 MPa)、抗压缩（汽车碾压后立刻回弹）、高延展性(3120%)、高韧性（4.77 MJ m
-3
）、高应变下依然保持高弹性等优异性能。进而应用于离子传感器，展现出高灵敏度、宽应变响应范围(0.3%~1800%)、优异的贴合性和稳定性，并且可以在0.04V的低电压下工作，能够实现对人体从大幅度运动（四肢）到微小形变（发音、脉搏）等即时及稳定检测。该成果以题为“Supramolecular Nanofibrillar Hydrogels as Highly Stretchable, Elastic and Sensitive Ionic Sensors”发表在国际知名期刊
Materials Horizons
上。
图文速递
图1仿生人体皮肤NaCl/SA/PAM离子水凝胶传感器的设计与合成
(a) 离子水凝胶传感器由SA超分子纳米纤维网络、PAM化学交联网络和无机盐离子组成，仿生模拟皮肤结构；(b) 由于Na
+
的静电屏蔽作用，SA分子自组装形成基于多重氢键的超分子纳米纤维；(c) SA超分子纳米纤维双网络水凝胶的制备过程。
图2 NaCl/SA超分子纳米纤维溶液的表征
(a) 不同NaCl浓度的NaCl/SA水溶液在小瓶中的宏观状态照片；(b,c) NaCl/SA水溶液中SA超分子纳米纤维的AFM图像和TEM图像；(d) 不同NaCl浓度的NaCl/SA水溶液的粘度随剪切速率的变化曲线；(e) 不同NaCl浓度的NaCl/SA水溶液的储能模量(G′)和损耗模量(G″)随角频率的变化曲线；(f) NaCl/SA超分子纳米纤维水溶液经3000%应变处理后的剪切恢复实验。
图3 NaCl/SA/PAM离子水凝胶的宏观图片及力学性能
(a) 厚度为1mm的水凝胶片的透明性；(b) 水凝胶能够承受自身1300倍的重物；(c) 水凝胶的可注射性；(d) 用模具制作的海星状水凝胶及其自粘附性能；(e) 不同NaCl浓度水凝胶的拉伸应力-应变曲线；(f) 由拉伸应力-应变曲线得到的水凝胶弹性模量和韧性；(g) 水凝胶在1000%应变下连续20次的加载-卸载循环曲线。
图4 离子水凝胶传感器的灵敏度及重复性
(a) 在0.04V电压下，传感器能够检测的应变范围为100-300%；(b) 在0.5V电压下，传感器的相对电阻变化随时间的变化以及所能测到的最小应变；(c) 在1800%大应变下，传感器的10次循环测试；(d) 传感器的相对电阻变化随应变的变化；(e) 传感器的灵敏度因子随应变的变化；(f) 传感器的相对电阻变化随压力的变化，插图是压缩灵敏度随压力的变化。
图5 传感器对人体各种运动的实时监测
(a-c) 传感器实时监测手指、肘关节和膝盖等大幅度运动；(d) 传感器实时监测不同的人发同样的音“你好”，可用于声音识别；(e) 传感器实时监测同一个人发音“你好，我好，大家好”，可区分不同发音（你、我、大家）和相同发音（好）；(f) 传感器实时监测同一个人运动前后脉搏跳动的微小变化。
在本工作中，该离子传感器同时具有良好的生物相容性、贴合性、成本低、制备方法简单、易大规模制备等优点。更重要的是，该离子传感器利用无机盐导电离子对半刚性聚电解质的静电屏蔽作用，同时构筑了力学耗散网络和导电网络，实现了水凝胶材料中多重组分的协同效应机制，赋予离子传感器众多优异性能，对于未来开发新型高性能的智能皮肤及柔性可穿戴材料具有一定的启发。
原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/mh/c8mh01188e#!divAbstract
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来源：高分子科学前沿
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