【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 可穿戴傳感器可以通過非侵入的方式捕捉人體的各種信號并轉(zhuǎn)化為可識別的電信號，從而達(dá)到實時監(jiān)測的目的，在健康管理等領(lǐng)域展現(xiàn)出了重要價值。相比于傳統(tǒng)的剛性可穿戴傳感器，由導(dǎo)電凝膠等軟材料構(gòu)建的皮膚式可穿戴傳感器能與動態(tài)皮膚形成緊密的共型結(jié)構(gòu)，提高傳感器的傳感準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，甚至實現(xiàn)對人體運動狀態(tài)的實時感知。
盡管基于導(dǎo)電凝膠的可穿戴傳感器研究已經(jīng)取得巨大進(jìn)展，并廣泛應(yīng)用于動作監(jiān)測、健康管理、表情和聲音識別、人機交互等諸多領(lǐng)域，但由于導(dǎo)電凝膠在水環(huán)境中存在吸水溶脹、導(dǎo)電組分流失、粘附性能衰退等問題，限制了其在水下探索等領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。近年來，通過對導(dǎo)電凝膠進(jìn)行耐水性能的設(shè)計，研究人員實現(xiàn)了導(dǎo)電凝膠基可穿戴傳感器的水下傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，促進(jìn)了該領(lǐng)域的研究快速發(fā)展
近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊陳濤研究員、肖鵬副研究員和魏俊杰博士基于在耐水導(dǎo)電高分子凝膠的構(gòu)筑及其水下傳感方面的研究基礎(chǔ)，在Advanced Materials上發(fā)表題為“Water-Resistant Conductive Gels Toward Underwater Wearable Sensing”的綜述文章(Adv. Mater. 2023, DOI: 10.1002/adma.202211758)。
在該綜述中，作者首先對提高導(dǎo)電凝膠耐水性的方法進(jìn)行了總結(jié)，歸納提出了封裝設(shè)計、疏水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多重交聯(lián)作用這三種耐水設(shè)計策略，并詳細(xì)討論了各種策略的耐水原理、具體設(shè)計方法以及存在的優(yōu)缺點，從而為未來的耐水導(dǎo)電凝膠設(shè)計提供指導(dǎo)。隨后對用于水下傳感領(lǐng)域的耐水導(dǎo)電凝膠的多功能性質(zhì)進(jìn)行了介紹。除了水下穩(wěn)定性之外，探討了耐水導(dǎo)電凝膠的拉伸性質(zhì)、水下粘附性質(zhì)、水下自修復(fù)性質(zhì)、可回收性質(zhì)和3D打印性等性質(zhì)對導(dǎo)電凝膠基水下可穿戴傳感器的傳感性能和制造加工工藝的影響，并重點討論了這些性質(zhì)的優(yōu)化改善方法。此外，對現(xiàn)有耐水導(dǎo)電凝膠在水下傳感領(lǐng)域的具體應(yīng)用方向進(jìn)行了匯總，著重總結(jié)了耐水導(dǎo)電凝膠在水下運動感知、水下健康監(jiān)測、水下通訊、水環(huán)境分析幾個方向的研究進(jìn)展，并分析了耐水導(dǎo)電凝膠在這些應(yīng)用中存在的不足，為未來的水下傳感研究指明了方向。
盡管導(dǎo)電凝膠的耐水設(shè)計和傳下傳感研究已經(jīng)取得了一定的成果，但該領(lǐng)域的發(fā)展尚處于起步階段，仍然存在一些問題和挑戰(zhàn)亟需解決。導(dǎo)電凝膠在水環(huán)境中的傳感性能與陸上性能有著明顯差異，相關(guān)的水下傳感機制和傳感模型有待進(jìn)一步闡明；耐水導(dǎo)電凝膠的水下穩(wěn)定性和水下傳感性能測試還沒有標(biāo)準(zhǔn)的方法，亟需建立統(tǒng)一的檢測方法進(jìn)行有效對比和評估；在耐水導(dǎo)電凝膠和水下可穿戴傳感器的多功能設(shè)計上需要進(jìn)一步努力，例如實現(xiàn)基于變色功能的可視化感知、基于自清潔功能的抗污能力和基于生物可降解的環(huán)境友好等。
為了滿足耐水導(dǎo)電凝膠基水下可穿戴傳感器的實際應(yīng)用需求，需要進(jìn)一步發(fā)展與水下可穿戴傳感器匹配的無線傳輸技術(shù)和自供能技術(shù)；如何實現(xiàn)多感知功能和多技術(shù)模塊在水下凝膠傳感系統(tǒng)中的一體化集成，尤其是如何實現(xiàn)“軟”凝膠材料與“硬”電子元件的穩(wěn)定界面結(jié)合依然是該領(lǐng)域需要面臨的一個重要挑戰(zhàn)。
該論文得到了國家自然科學(xué)基金(51773215)、中國博士后科學(xué)基金(2021M690157、2022T150668)、寧波市自然科學(xué)基金(2121J206)、國家重點研發(fā)計劃項目(2022YFC2805204、2022YFC2805202)等項目的支持。
耐水導(dǎo)電凝膠的設(shè)計策略與水下傳感應(yīng)用
(中科院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室 魏俊杰)
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