在当今科技飞速发展的时代，水下活动的监测与信息传输技术成为了多个领域的关键研究方向。从海洋科学研究中的生物行为追踪、深海资源勘探，到水下工程作业的人员安全监控、水下设备的状态监测，以及新兴的水下运动竞技和娱乐项目等，都对水下运动检测和信息传输提出了越来越高的要求。传统的水下监测与通信技术往往依赖于大型、刚性且复杂的设备，这些设备不仅成本高昂、体积庞大、不易携带和部署，而且在与人体或柔性物体的兼容性方面存在显著缺陷。
导电水凝胶作为一种具有独特电学性能和良好生物相容性的柔性材料，为解决这些问题提供了新的契机。其柔软、可拉伸的特性使其能够与不规则表面紧密贴合，有望实现对水下物体（尤其是人体）运动的高精度、高灵敏度检测，能够精确捕捉如关节弯曲、肌肉收缩等细微动作变化，从而为水下运动姿态分析、运动损伤预防和训练效果评估等提供关键数据支持。然而，水下环境复杂多变，普通导电水凝胶极易受到水分子的影响而发生溶胀现象。溶胀不仅会导致水凝胶的力学性能劣化，使其难以保持稳定的形状和贴合度，更会严重破坏其内部的导电网络结构，造成电导率大幅下降，进而影响信号传输的稳定性和准确性，最终使基于水凝胶的水下监测与通信系统失效。
因此，开发一种具有抗溶胀性能的导电水凝胶迫在眉睫。为了实现这一目标，天津工业大学范杰教授、张青松教授和美国阿肯色大学寿万教授合作，通过超分子相互作用制备了一种具有出色抗溶胀性能的水凝胶，这种新型水凝胶将能够在水下长期稳定工作，保持可靠的导电性能和力学性能，为水下运动检测和信息传输技术的发展开辟新的道路。在这项研究中，作者通过超分子相互作用制备了一种具有出色抗溶胀性能的离子导电水凝胶。多功能离子液体1-乙烯基-3-丁基咪唑溴化物（VBIMBr）和AlCl3与水分子之间的强相互作用有效抑制了水的冻结和蒸发，所制备的水凝胶（PTPAVI-Al3+）显示出良好的防冻性和保水性。此外，VBIMBr和AlCl3的引入还赋予了PTPAVI-Al3+水凝胶出色的离子电导率。不仅如此，PTPAVI-Al3+水凝胶内的动态交联网络结构还使其表现出良好的机械性能，包括拉伸性、恢复性和抗疲劳性能。超分子相互作用使得PTPAVI-Al3+水凝胶在多种溶剂介质中均表现出优异的抗溶胀性，这极大拓宽了水凝胶的应用范围。由PTPAVI-Al3+水凝胶组装的柔性传感器表现出高应变灵敏度（GF =2.01），宽传感范围、快速响应、长期稳定性和耐用性，不仅可以监测各种大规模的人体关节运动，还能够感知微小的肌肉振动。更重要的是，为了展示PTPAVI-Al3+超分子导电水凝胶在水下环境中的应用潜力，作者将其组装成应变传感器用于水下运动检测和信息传输。例如，在水下环境中，水凝胶能点亮 LED 灯，拉伸时亮度变化明显，表明其对水下运动检测具有高灵敏度；附着在手指和手腕关节处，可稳定输出与关节运动同步的重复信号，准确监测水下人体运动。此外，水凝胶可将运动产生的电信号转换为摩尔斯电码，在水下成功检测特定字母组合，实现信息传输。不仅如此，开发的水下传感报警系统通过定义手指弯曲时对应的信息提示，能及时反馈水下人员的安全状态，如遇危险可触发报警并传输求救信号。总之，这项研究通过超分子相互作用，开发了一种具有出色抗溶胀性能的离子导电水凝胶，阐明了PTPAVI-Al3+水凝胶的形成机理，实现了PTPAVI-Al3+水凝胶在多种介质中的抗溶胀，并揭示了PTPAVI-Al3+水凝胶抗溶胀的机制。
方案1. PTPAVI-Al3+水凝胶的制备过程、形成机制、特性以及与之前报道的离子导电水凝胶几种特性的综合性能比较。
图1. PTPAVI-Al3+水凝胶的基本表征和粘附性
图4. PTPAVI-Al3+水凝胶的导电性和应变传感性能
图5. 基于PTPAVI-Al3+水凝胶的应变传感器的传感行为
总之，这项工作展示了通过超分子相互作用获得具有出色抗溶胀性能的多功能柔性可穿戴水凝胶传感器的可行策略，并显示了PTPAVI-Al3+水凝胶作为抗溶胀可穿戴应变传感器在水下运动检测和信息传输等方面的巨大应用潜力。相关研究成果以“A multifunctional flexible wearable hydrogel sensor with anti-swelling via supramolecular interactions for underwater motion detection and information transmission”为题发表在《Chemical Engineering Journal》。文章第一作者为天津工业大学纺织科学与工程学院博士生雷通达，天津工业大学范杰教授、张青松教授和美国阿肯色大学寿万教授为通讯作者。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158700
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