北京
一种可3D打印的纤维素水凝胶在-13°F下放置七天后仍能感知运动，并具有抗冻和抗变形能力。
一种新型纤维素基水凝胶在-13°F环境中暴露七天后仍能持续检测运动，有望使可穿戴传感器在冰冻条件下更加可靠。
研究人员以棉浆纤维素为原料开发出这种柔性材料，将一种丰富的可再生材料转化为导电水凝胶。该方法旨在解决传统水凝胶传感器的一个基本问题：其中的水会结冰，使材料变硬并降低其传输离子信号的能力。
研究团队使用氯化锌和溴化锂的混合盐来溶解纤维素。这种组合破坏了纤维素紧密堆积的晶体结构，同时保护生成的分子链免受损伤。溶解后的材料随后被制成一种透明水凝胶，命名为HZ0.3L0.7-C3。
所得材料兼具导电性、机械强度和抗冻性。研究人员测得离子电导率为4.48 S/m，压缩应力最高可达2.48 MPa。在-112°F至68°F（约-80°C至20°C）之间的测试未显示与水结晶相关的放热峰，表明水凝胶中的结冰受到抑制。
防寒可穿戴传感
随后，研究人员对优化后的材料进行了更长时间的耐寒测试。在-13°F（约-25°C）下保持168小时后，该水凝胶在手指弯曲和指尖按压等动作下仍能持续产生可重复的电信号。
这一性能对于可能在户外、冷藏环境或其他应用场景中工作的可穿戴电子设备非常重要，因为传统富水水凝胶在这些场景中会失去柔性和导电性。
该材料还表现出剪切变稀行为，即在压力下可以流动，打印后又能保持形状。这使得研究人员能够将其用作3D打印材料，并制造出五角星和枫叶等结构。
为了直接用于人体，研究团队添加了聚多巴胺涂层以提高皮肤相容性。由该水凝胶制成的传感器可贴在手指、手腕、肘部和喉咙上，以检测运动和压力。
从皮肤传感器到机器人
该可穿戴传感器的响应时间约为100毫秒，恢复时间约为300毫秒。它还在30%应变下经过500次压缩循环后保持稳定性能。
研究人员在一个数据手套系统中展示了这种材料：该系统检测手部动作，并将其实时转换为机器人模型上的相应动作。这表明它可能用于人机界面，其中传感器必须在承受反复变形的同时保持柔性。
纤维素基材还为该材料提供了可再生组分，而基于盐的配方则提供了电信号传输所需的离子，无需依赖传统的导电聚合物。
研究人员表示，这项工作可能为定制化可穿戴传感器提供一条途径，使其在低温环境下仍能正常工作。不过，该材料仍处于研究和原型阶段，在商业应用之前还需要进一步测试。
该研究发表在《生物资源与生物产品杂志》（Journal of Bioresources and Bioproducts）上。
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