《CEJ》阿尔伯塔大学：超可拉伸、坚韧、弹性和透明的水凝胶皮肤，集成了机器学习算法支持的智能传感功能

《CEJ》：超可拉伸、坚韧、弹性和透明的水凝胶皮肤，集成了机器学习算法支持的智能传感功能

Title: Ultra stretchable, tough, elastic and transparent hydrogel skins integrated with intelligent sensing functions enabled by machine learning algorithms

Authors: Meng Wu, Mingfei Pan, Chenyu Qiao, Yuhao Ma, Bin Yan, Wenshuai Yang, Qiongyao Peng, Linbo Han, Hongbo Zeng*

Chemical Engineering Journal ( IF 16.744 )

Pub Date: 2022-07-21 ,

DOI:10.1016/j.cej.2022.138212

摘要

基于水凝胶的离子皮肤是离子导电的人造皮肤状材料，具有广泛的应用前景，例如可穿戴传感设备、软机器人和机器以及生物电子学。然而，制造具有令人满意的机械性能和智能传感功能的水凝胶皮肤仍然是一项重大挑战。

阿尔伯塔大学 Hongbo Zeng* （通讯作者）团队开发了一种具有超拉伸性和自我进化传感功能的离子导电纳米复合水凝胶。通过利用协同界面离子相互作用的动态特性，微量的碳纳米管赋予水凝胶网络优异的机械性能（即拉伸强度、拉伸性和韧性分别高达 1.09 MPa 、 4075% 和 12.8 MJ/m3 ）。此外，水凝胶具有柔软、弹性、透明和自修复性能。机械和电学特性的合理结合使所制备的水凝胶具有优异的传感性能和循环稳定性，因此使其能够作为一个完整平台的传感单元来识别一些复杂的人类行为，由于其智能传感功能，其性能优于之前报道的水凝胶。具体来说，通过机器学习模块的集成，基于水凝胶的平台在经过适当训练后，对从单个字母到单词、短语和短句的人类笔迹运动表现出很高的识别精度。这种基于水凝胶的离子皮肤将卓越的机械性能和自我进化的传感功能相结合，释放了其作为智能人机界面的潜力，促进了人工智能在定制电子设备中的应用。相关成果以“ Ultra stretchable, tough, elastic and transparent hydrogel skins integrated with intelligent sensing functions enabled by machine learning algorithms ”为题发表在《 Chemical Engineering Journal 》上。

图文导读

图 1. (A) 纳米复合 PAMAC-L 水凝胶的合成过程示意图。 (B) 水凝胶网络中二元离子相互作用的示意图。 (C) 水凝胶在可见光范围内的紫外-可见 (UV-Vis) 光谱和显示高透明度的图像。

图 2. 所制备水凝胶的机械性能。 (A) 不同比例的 MTAC 与 AEAM (MT:AE) 的 PAM 和 PAMAC 复合水凝胶的拉伸应力-应变曲线。 (B) 由三个应力-应变曲线计算得出的具有不同阳离子单体比例的 PAM 和 PAMAC 复合水凝胶的拉伸强度和韧性。 (C) LiCl 浓度范围为 0 至 1000 mM 的纳米复合水凝胶的拉伸应力-应变曲线。 (D) 不同 LiCl 浓度的水凝胶的强度和韧性。 (E) 显示 PAMAC-L 水凝胶在拉伸之前和期间的图像。 (F) PAMAC-L 凝胶的拉伸应力-应变曲线经受连续加载/卸载循环，最大应变设置为 100-1500%。 加载/卸载循环的拉伸应力-应变曲线，最大应变为 (G) 100% 和 (H) 1000%。 (I) 图像显示水凝胶经受住刀片等锋利材料的损伤并恢复到原来的形状。 加载/卸载循环的压缩应力-应变曲线，最大应变为 (J) 50% 和 (K) 90%。

图 3. 双静电相互作用的力测量。 (A) 典型 AFM 力测量实验的示意图。 (B) PAM-MT 涂层 (RMS 粗糙度 ~ 0.87 nm) 和 (C) PAM-AE 涂层 (RMS 粗糙度 ~ 0.58 nm) 在云母表面上的形貌 AFM 图像。 COOH 涂层 AFM 尖端和 PAM-MT 涂层表面在含有 (D) 0、(E) 50 和 (F) 1000 mM LiCl 的 PB 溶液 (pH 7.4、5 mM) 中的相互作用力曲线和 (G) PAM-MT 的平均粘附力。 COOH 涂层 AFM 尖端和 PAM-AE 涂层在含有 (H) 0、(I) 50 和 (J) 1000 mM LiCl 的 PB 溶液中的相互作用力曲线，以及 (K) PAM-AE的平均粘附力。

图 4. PAMAC-L 水凝胶的自愈特性。 (A) 展示自愈凝胶可承受提升、弯曲和拉伸的图像。 (B) 流变振荡应变扫描，然后是水凝胶的时间扫描。 (C) 循环振荡时间扫描，剪切应变在 1% 和 1000% 之间移动三个循环。 (D) 照片显示了水凝胶切割愈合过程中 LED 灯泡的照度变化。 (E) 实时电流随凝胶的切割和愈合而变化。

图 5. 水凝胶的电性能。 (A) 不同水凝胶的电导率。 PAMAC-L 水凝胶的相对电阻变化与 (B) 拉伸应变和 (C) 压力的关系。 (D) 重复拉伸加载/卸载过程下的循环相对阻力响应，最大应变为 100、200 和 500%。 (E) 1000 次循环的最大应变为 100% 的相对电阻变化。 (F) 2.5、5 和 12 kPa 循环压力载荷下的相对阻力变化。 (G) 5 kPa 循环压力下 200 次加载/卸载循环的相对阻力响应。

图 6. PAMAC-L 水凝胶的传感性能。使用水凝胶应变传感器在运动前后实时监测 (A) 手指弯曲和 (B) 人体手腕脉搏。通过水凝胶压力传感器实时检测 (C) 触摸和按压，以及 (D) 水滴。

图 7. PAMAC-L 水凝胶的书写识别。 (A) 显示手写识别程序的方案。识别结果来自在纸上手写单词 (B)“字母”和 (C)“水凝胶”的软件。 (D) 这两个单词的单词识别准确率是根据每个单词的 10 篇文章计算得出的。 (E)“字母”、(F)“水凝胶”、(G)“离子皮肤”和(H)“你好吗”的测试者在空中用食指书写的识别结果。 (I) 空中手写的平均识别准确率。对于下面显示的处理信号的识别结果，括号外的字母是输入字母，括号内的字母是输出字母。蓝色表示正确识别，红色表示错误识别。

小结

在这项工作中，通过在 MWCNTs 和 LiCl 存在下通过 AM 和两种阳离子功能单体的简单一锅聚合制备了一种新型的离子导电水凝胶。由于二元强 / 动态界面静电相互作用，所得类皮肤材料具有广泛的理想性能，包括出色的拉伸性、强度、韧性、弹性、透明度、自愈能力和稳定的电循环性能。水凝胶离子皮肤被用作应变和压力传感器来监测人体运动、手腕脉搏、触摸、按压和滴水，具有出色的灵敏度和信号可重复性。更重要的是，通过集成机器学习模块，水凝胶离子皮肤通过检测书写过程中的手指运动并将模拟电流信号高精度地转换为数字文本，展示了其在识别复杂人类行为（即在空气中和纸上书写）方面的巨大潜力。因此，类皮肤水凝胶传感器在可穿戴设备、健康监测与诊断、软体机器人等各种应用中具有广阔的应用前景。所开发的策略还为多功能坚韧水凝胶的开发提供了新的见解，并为人工智能在具有定制要求的下一代离子皮肤中的应用开辟了新前景。

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