受皮肤、肌肉、软骨等生物组织的启发，仿生电子器件已广泛应用于人机界面、健康监测、软机器人等领域。电子皮肤是人工智能基于高机械性能和感知的不懈追求。据报道，柔性电子皮肤可以监测外部刺激，如压力、压力和温度，并将其转换为可记录的电信号。离子导电水凝胶是一种很有前途的仿生电子器件。因此，有必要寻找一种可行的策略来开发智能导电水凝胶，以满足实际应用的需要。

在这里，长春理工大学的高光辉教授设计并制作了一种仿生离子导电水凝胶，具有类似皮肤的机械和感官特性。以核壳乳胶粒子为物理交联中心，通过胶束共聚制备水凝胶。动态交联网络可以通过破坏和重构消耗大量能量，有助于获得强的力学性能。此外，氯化锂的加入使水凝胶具有良好的导电性。水凝胶作为一种应变和压力传感器，在0.25-2000%的窗口内表现出高灵敏度、优异的传感能力、快速响应和恢复。此外，仿生凝胶传感器可以精确监测人的各种动作，包括说话、呼吸、关节弯曲、行走和跳跃，适用于健康监测、语音识别和人机交互。

图1-1-HLPs交联水凝胶的制备

该团队通过胶束聚合制备了高拉伸导电仿生水凝胶。首先制备粒径为123.8 nm的SiO2-g-PBA核壳杂化乳胶粒子，然后以HLPs为动态物理交联中心制备水凝胶，如图1所示。将氯化钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基丙烯酸甲酯和HLPs分散在水中，在常温下连续搅拌。在搅拌过程中，疏水LMA在SDS的作用下通过疏水相互作用聚集在亲水亲油聚合物的疏水壳上。随后，以过硫酸钾-四甲基乙二胺为氧化还原引发体系，将LMA和丙烯酰胺共聚，形成HLPs交联水凝胶。水凝胶中的疏水部分由于疏水相互作用聚集在一起形成物理交联点，高刚性、高模量的二氧化硅颗粒的存在大大提高了水凝胶的物理力学性能。所得HLPs交联水凝胶具有优异的拉伸性、韧性和导电性。同时，物理交联结构也为水凝胶提供了良好的自恢复性能。此外，连续多循环应变拉伸试验也证明该水凝胶具有良好的恢复能力和抗疲劳能力。因此，HLPs交联水凝胶具有良好的类皮肤机械适应性和抗疲劳能力，是可穿戴设备应用的关键。

图2-水凝胶的拉伸和流变性能等机械性能的表征

图3-水凝胶的压缩、恢复和抗疲劳特性

加入LiCl使HLPs交联水凝胶具有良好的离子导电性，如图4a所示。当水凝胶连接到电路上时，LED的亮度随着水凝胶从0%伸长到200%而逐渐降低，这表明水凝胶的电导率与变形密切相关。R/R0随着应变的增大而线性增大，应变敏感系数保持在1.466。随着菌株进一步提高到80%以上，GF达到5.44左右。一般人体运动时皮肤的变形范围为0~75%。

图4-水凝胶良好的导电性和稳定性

图5-水凝胶作为压力传感器

HLPs交联水凝胶也表现出良好的压力弹性。如图5a所示，即使志愿者踩在水凝胶上，水凝胶也保持完整。因此，水凝胶也可以组装成压力传感器来检测压力刺激。手指按压水凝胶后，LED灯明显亮起，说明水凝胶的导电性增强。在25 kPa下，δR/R0压力水凝胶的变形速度从10mm/min提高到20mm/min，说明水凝胶压力传感器具有良好的稳定性。此外，水凝胶压力传感器在压力加载下的快速响应时间为152 ms，同时压力释放过程中水凝胶压力传感器的恢复时间短至147 ms，在25 kPa压力下连续进行50次加载和卸载循环。如图5g所示，传感器的电阻变化具有良好的稳定性和可重复性，这得益于水凝胶动态交联网络的弹性和快速可恢复性。

图6-水凝胶传感器检测人体运动

通过不同的应变和压力条件，水凝胶传感器的电阻变化可以准确监测志愿者的各种运动。如图6a所示，当手指的弯曲角度从0°增加到90°时，水凝胶传感器的电阻迅速增加。当手指弯曲时，水凝胶被拉伸，导致阻力增加。水凝胶传感器的电阻在颈、肘、膝关节反复运动过程中也快速准确地发生变化，对关节疾病的诊断具有潜在价值。值得注意的是，水凝胶传感器还可以用于检测细微的肌肉运动，包括呼吸和语音识别。例如，当水凝胶传感器连接到志愿者的左胸腔时，电阻变化在规则和快速深呼吸模式下显示重复和不同频率的信号模式。当一个人对同一个句子或短语说三遍时，相对电阻曲线呈现相似且重复的特征峰。语音识别使水凝胶传感器在人机交互和聋人语音康复训练中具有广阔的应用前景。图6g显示，随着手指压力的增加，水凝胶传感器的电阻降低。志愿者运动过程中，水凝胶传感器的阻力随压力变化。如图6h和6i所示，当志愿者进行一些不同的运动时，例如行走和跳跃，阻力变化呈现出可重复的特征信号模式。因此，基于水凝胶的应变和压力传感器可以被认为是用于全范围人体运动检测的仿生可穿戴设备的理想候选材料。

论文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.9b03919

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