【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 可穿戴傳感器可以通過(guò)非侵入的方式捕捉人體的各種信號(hào)并轉(zhuǎn)化為可識(shí)別的電信號(hào)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，在健康管理等領(lǐng)域展現(xiàn)出了重要價(jià)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(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)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(dòng)作監(jiān)測(cè)、健康管理、表情和聲音識(shí)別、人機(jī)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(wèn)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(lái)，通過(guò)對(duì)導(dǎo)電凝膠進(jìn)行耐水性能的設(shè)計(jì)，研究人員實(shí)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(guó)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(duì)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(duì)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(jì)、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(jì)策略，并詳細(xì)討論了各種策略的耐水原理、具體設(shè)計(jì)方法以及存在的優(yōu)缺點(diǎn)，從而為未來(lái)的耐水導(dǎo)電凝膠設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。隨后對(duì)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(duì)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(diǎn)討論了這些性質(zhì)的優(yōu)化改善方法。此外，對(duì)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(yùn)動(dòng)感知、水下健康監(jiān)測(cè)、水下通訊、水環(huán)境分析幾個(gè)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(lái)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(jì)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(wèn)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(jī)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(cè)試還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的方法，亟需建立統(tǒng)一的檢測(cè)方法進(jìn)行有效對(duì)比和評(píng)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(jì)上需要進(jìn)一步努力，例如實(shí)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(shí)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(wú)線傳輸技術(shù)和自供能技術(shù)；如何實(shí)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(shí)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(gè)重要挑戰(zhàn)。
該論文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(51773215)、中國(guó)博士后科學(xué)基金(2021M690157、2022T150668)、寧波市自然科學(xué)基金(2121J206)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2022YFC2805204、2022YFC2805202)等項(xiàng)目的支持。
耐水導(dǎo)電凝膠的設(shè)計(jì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 魏俊杰)
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