PVA/MXene水凝胶传感器实现人机零距离交互

双网络(DN)导电水凝胶已成为可穿戴传感器的研究热点。然而，构建具有优异机械强度、高灵敏度和宽操作窗口的DN水凝胶应变传感器仍然是一个挑战。以mxene复合聚乙烯醇/羧甲基钠纤维素(PVA/CMC) DN水凝胶为材料，经单宁酸(TA)增强制备了高性能应变传感器。在该PCTM(简称PVA/CMC/TA/MXene水凝胶)中，PVA作为柔性骨架，CMC主要作为水凝胶中的刚性子网骨架，天然存在的TA通过TA与PVA和CMC的聚合物链之间紧密的氢键进一步增强了水凝胶的力学性能。利用MXene构建导电路径，其丰富的亲水性官能团有助于在水凝胶中实现均匀分布，有利于实现高灵敏度和宽操作窗口。PCTM独特的多重协同网络具有良好的机械强度(断裂应变为740%时断裂抗拉强度为1.8 MPa)、高灵敏度和宽检测窗口(应变范围为0-700%时的测量系数为2.9)，以及超过3000次连续循环的长期耐久性。此外，该传感器还能对不同类型的人体运动做出准确的反应。作为概念验证，PCTM传感器用于视觉检测压力，表明其在可拉伸电子传感器方面具有广阔的潜力。

创新点

1. 采用冻融法制备纯物理交联的水凝胶,避免了化学交联副产物,更环保。

2. 利用MXene的大量亲水官能团获得水凝胶基体内的均匀分散,有利于获得高灵敏度和宽检测范围。

3. 通过PVA弹性骨架,CMC刚性支撑骨架,TA氢键增强和MXene传导网络的多重协同作用,使水凝胶具有优异的机械性能。

4. 获得了高达740%的断裂应变,1.8MPa的抗拉强度,0-700%检测范围,2.9的高灵敏度系数。性能优于许多已报道的水凝胶传感器。

5. 响应和恢复时间分别达到66ms和102ms,远快于其他报道。

6. 成功检测了大规模和微小的人体运动,并区分不同语音,展示了传感器的应用潜力。

7. 制备了棋盘状传感器阵列,可以实时监测不同位置的压力或重量,实现了压力可视化。

所有材料均为生物相容和可降解材料,实现了绿色环保的传感器。展示了MXene在高性能和多功能水凝胶传感器方面的应用前景。该水凝胶传感器综合了多项创新点,可望推动这一领域的进一步研究和应用。

图文参考

图1. PCTM水凝胶的制备

图2. 冻干的PCTM的表面和横截面剖面图

图3. PCTM水凝胶的力学性能

图4. PCTM水凝胶在拉伸时导电路径的变化示意图

图5. PCTM用于可穿戴传感器的应用

图6. PCTM用于压力可视化应用

总结

总之，研究开发了一种简便、环保的PCTM导电复合水凝胶的制备方法。PC4.5T6M45-3水凝胶具有良好的力学性能（断裂应变高达740%，断裂抗拉强度高达1.8 MPa）和高灵敏度（GF为2.9），具有较宽的操作窗口（0-700%）。此外，组装好的应变传感器在3000个循环后表现出良好的循环稳定性，并能够实时检测重量或压力的分布。更重要的是，其生物相容性保证了装配传感器可以直接与人体接触，不会损害环境。所有这些优点使水凝胶成为监测人类生理活动和软智能机器人的可穿戴设备的理想候选设备。

* 参考文献：https://doi.org/10.1007/s42114-022-00531-1