多功能柔性可穿戴式傳感器介紹

柔性傳感器在遠程健康監測、身體運動跟蹤、電子皮膚、人機界面和軟體機器人技術中顯示出巨大的潛力。水凝膠具有出色的拉伸性、柔性和生物相容性，使其成為柔性可穿戴式傳感器的有吸引力的候選材料。近年來，人們通過利用官能團/添加劑/納米填料來修飾水凝膠網絡，致力于開發導電水凝膠，以實現多功能可穿戴式傳感。

*水凝膠可穿戴柔性傳感器

以下研究綜述了水凝膠在汗液采樣、柔性電極、應變/壓力傳感器和觸控面板等柔性可穿戴式傳感器中的最新應用進展，重點介紹了具有自修復、自粘附或抗凍性能的基于多功能導電水凝膠的柔性可穿戴式傳感器，并簡要介紹了導電水凝膠的代表性合成方法和策略。

導電水凝膠的設計與制備

受水凝膠的化學結構和合成方法的啟發，導電水凝膠可通過將提供結構支撐的傳統水凝膠和提供導電性的各種導電填料復合制得。如圖所示，導電水凝膠的設計和合成方法主要有四種： A)通過溶解離子鹽獲得離子導電水凝膠 B)通過摻雜分子直接交聯導電材料 C)水凝膠前驅體與導電填料懸浮液的凝膠化 D)導電聚合物在水凝膠網絡中的原位聚合

*導電水凝膠的主要制備方法

基于水凝膠的柔性可穿戴式傳感器

水凝膠材料具有顯著的特性（如柔性、可拉伸性和生物相容性），可滿足可穿戴式傳感器的特殊需求，用于柔性可穿戴式傳感器的水凝膠已經取得了相當大的進展。

*水凝膠在柔性可穿戴式傳感器中的應用

汗液采樣

汗液采樣是汗液分析中的關鍵步驟，對汗液分析結果的可靠性和準確性有重要影響。水凝膠是具有超強吸水能力和良好保水性的親水交聯聚合物，可作為可穿戴式汗液采樣傳感器的基板。然而，使用水凝膠材料進行汗液采樣的方法不能有效地將皮膚上的汗液與周圍環境分開，增加了汗液被污染的可能性，使汗液的精準采集和儲存受到限制。

*水凝膠材質的汗液傳感器

柔性電極

柔性電極具有類似皮膚的機械性能，可以順應性地附著在皮膚上，確保信號的準確性和佩戴的舒適性。水凝膠具有良好的柔性、拉伸性和生物相容性，已被證明適用于柔性電極。此外，作為基底的水凝膠還可以與彈性體結合用于柔性電極，但此類水凝膠的柔性電極大多韌性和耐久性較差。未來的研究應致力于有效延長水凝膠柔性電極的使用壽命，如提高水凝膠的力學性能，特別是韌性，或賦予水凝膠自修復能力。

*水凝膠材質的柔性電極

多功能導電水凝膠傳感器

導電水凝膠在可穿戴式傳感器領域具有巨大的應用前景。水凝膠的導電網絡結構在外部刺激下會發生變形，從而改變水凝膠的電阻或電導率。各種具有抗凍、自粘附或自修復性能的導電水凝膠已被廣泛應用于可進行人體健康和活動監測的柔性可穿戴式傳感器之中。

*水凝膠柔性傳感器在人體活動檢測中的應用 自修復可穿戴式傳感器。柔性可穿戴式傳感器在實際應用中需要更加具有耐用性，能夠“感知”和快速修復損傷的自修復能力可以有效延長傳感器的使用壽命。設計水凝膠的雙網絡結構已被證明是制造自修復柔性傳感器的有效方法。科研人員設計和開發了一類新型超分子海藻酸鈉納米纖維雙網絡水凝膠，其具有高應變敏感性、高透明度和自修復性等特性。

*A. 由無定形碳酸鈣與藻酸鹽/聚丙烯酸交聯而成的自修復離子水凝膠
*B. 具有高應變靈敏度和自修復能力的海藻酸鈉/聚丙烯酰胺超分子離子水凝膠傳感器

自粘附可穿戴式傳感器。大多數水凝膠傳感器都需要額外的膠帶或繃帶貼在皮膚或衣服上，這使得傳感器無法檢測到微弱的信號，極大地阻礙了其在可穿戴設備中的應用。此外，由于水凝膠的韌性和粘附性之間存在著固有折中關系，大多數粘附性水凝膠通常表現出較差的韌性。近年來，一些具有良好的自粘性和機械性能的水凝膠應變傳感器被開發出來。

*基于導電水凝膠的自粘附可穿戴式應變傳感器。

抗凍可穿戴式傳感器。抗凍性能是設計和制備水凝膠應變傳感器的另一個重要指標。水在零度以下的溫度下會在水凝膠中結冰，這不可避免地會影響水凝膠原有的柔性和導電性。將這種抗凍特性擴展到水凝膠，基于水凝膠的抗凍傳感器可以在低溫下保持自身的穩定性而提高其實用性。此外，水凝膠傳感器的抗凍特性還可以保護人體皮膚免受凍傷的傷害。

*以PDA修飾的CNT作為導電材料的抗凍甘油-水凝膠型可穿戴式應變傳感器

多功能可穿戴式傳感器。近年來，用于可穿戴式傳感器的具有自修復、自粘附或抗凍性能等不同特性的智能導電水凝膠的研發取得了顯著進展。但大多數報道的導電水凝膠僅具有一種特定功能或單調刺激響應性，這與可穿戴式應變傳感器實際應用所需多種功能不匹配。目前，開發兼具良好的機械性能、自修復能力、粘附性、抗凍性和生物相容性等綜合多種特性的多功能導電水凝膠可穿戴式傳感器已成為研究熱點。

科研人員設計并制備了導電納米復合水凝膠，其原理是在甘油-水二元溶劑中對甲基丙烯酸低聚(乙二醇)酯(OEGMA)單體進行原位聚合，其中無機粘土作為具有極強力學性能的物理交聯劑，并提供導電離子。所得水凝膠不僅表現出優異的柔韌性和可拉伸性能，而且具有良好的導電性，使得基于該水凝膠的傳感器可以快速穩定地檢測到手指細微的運動。

*甘油-水納米復合水凝膠應變傳感器顯示出優異的抗凍能力、可調節的熱響應性和自修復性能

觸控面板

隨著人機交互應用的快速發展，柔性觸控面板為人機交互提供了簡單直觀的界面，引起了極大的研究興趣。觸摸面板需要具有柔性、可拉伸性和生物相容性，并融入各種傳感器與人體互動。具有高導電性、優異柔韌性和生物相容性的導電水凝膠可以滿足這些要求，成為新一代觸控面板的關鍵組成部分。

*基于導電水凝膠的代表性觸控面板

以上研究綜述了近年來基于水凝膠（包括導電水凝膠）的柔性可穿戴式傳感器的最新進展，主要包括導電水凝膠的設計和制造，以及基于水凝膠的柔性可穿戴式傳感器的附加功能的實際應用開發。基于導電水凝膠的柔性可穿戴式傳感器的制備和性能遠未達到商業化的要求。為了實現基于導電水凝膠的可穿戴式傳感器的高效商業化，傳感器的小型化和輕量化至關重要。

審核編輯 ：李倩