可穿戴柔性传感器用导电水凝胶的研究进展

可穿戴柔性传感器用导电水凝胶的研究进展

在生物过程领域的应用水凝胶是亲水聚合物链在水中通过亲水聚合物链获得的三维网络结构。它具有高亲水性和可接近性，在生物学领域具有很大的潜在应用价值。导电水凝胶作为应变或者压力传感器，在可穿戴柔性设备领域有潜在的应用价值。导电水凝胶被外界拉伸或者压缩时，其内部网络结构会随之变化，导致电学性能发生改变其他性能要求当导电水凝胶基柔性传感器实际应用于可穿戴设备时，除了保证其传感信号的灵敏度和可靠性之外，还需要水凝胶具有其他性能以满足实际应用的各种需求。近年来，研究人员开发的多功能导电水凝胶在具有良好的机械敏感性和力学性能的同时，还具有抗冻性、保湿性、自黏附性或自愈性等相关性能，更有利于满足不同环境下对可穿戴设备的要求生产力性能导电水凝胶的灵敏度对由其组成的柔性可穿戴设备的传感性能至关重要导电水凝胶表面黏附性导电水凝胶作为可穿戴柔性设备，在实际应用中往往需要借助胶带或黏合剂与衣服或者皮肤进行贴合，这种不稳定的接触会直接影响柔性传感装置对微弱生理信号的检测。而具有自黏附性能的导电水凝胶可以与组织建立稳定可靠的界面，提高传感器装置对微弱生理信号的检测。水凝胶和接触界面的表面黏附性主要源于水凝胶与界面间的共价和/或非共价相互作用。通过在导电水凝胶中引入儿茶酚、氨基、羟基或羧基官能团，可以与接触面之间形成亚胺、酰胺或其他共价键导致黏附导电水凝胶的长期稳定性由于其高含水量，导电水凝胶不可避免地会在低温度下冻结，在低相对湿度条件下失去大量水分。这会导致导电水凝胶的性能发生下降，甚至失去其原有的导电性。另外，即便室温条件下，导电水凝胶中的水分也会蒸发，这对其性能的长期稳定性有一定的影响。因此，导电水凝胶需要一定的抗冻及保湿性能，以满足低温环境下的工作需求，以及提高其长期使用性。如图2所示，具有抗冻性能的导电水凝胶即使在-40℃的环境中，导电性能仍和室温条件下接近导电水凝胶的自愈合机制自愈合性能可以增加器件的使用寿命，这对于提高柔性传感设备的耐磨性十分关键。具有自愈合性能的导电水凝胶，发生一定程度的断裂后可以在短时间内快速愈合，同时其电学和力学性能也能恢复。导电水凝胶的自愈合机制可分为两类：一类是通过加热或者添加自愈剂等外部刺激进行自愈合；另一类是利用动态化学键和非共价相互作用等水凝胶进行的自发相互作用进行愈合。最近，Wang等人与可穿戴柔性设备的其它性能除了传感、自黏附、抗冻保湿、自愈合性能外，其他与可穿戴柔性设备相关的性能也正在研究中。比如透明性，导电水凝胶的透明度是其在柔性传感可视化领域中所需的重要性能应用具有不同性能如抗冻保湿、黏附和自愈性能的导电水凝胶，被广泛应用于柔传感器、电子皮肤和生物电极柔性可穿戴传感器导电水凝胶材料具有显著柔韧性和生物相容性，可以满足柔性传感器的特殊要求。目前导电水凝胶在柔性可穿戴传感器领域已经取得了相当大的进展。Wu等人关注人性方面的关注电子皮肤作为人工智能的重要组成部分，在人机界面、运动与健康监测、软机器人等方面受到广泛关注。导电水凝胶由于其顺应性、生物相容性和导电性能，被视为为电子皮肤的理想选择。大量研究工作致力于开发具有高性能的导电水凝胶电子皮肤，旨在实现不同物理刺激下对动态变形的感知。在Lei等人的工作中柔性电极材料在医疗诊断领域中，需要皮肤仿生的柔性电极以确保采集信号的准确性和佩戴的舒适性。水凝胶由于其良好的柔韧性、延展性和生物相容性，是柔性电极的理想候选材料。其中具有优异传感性能的导电水凝胶可以实现对呼吸、脉搏和声带振动等发生微弱形变的生理运动的监测，因此导电水凝胶可作为柔性电极应用于医疗诊断中导电水凝胶性能在柔性可穿戴传感设备中的应用近年来柔性传感器在包括可穿戴设备、医疗电子、机器人等领域中的应用前景引起了研究人员的关注。其目前人们已经开发了许多导电水凝胶，用于不同工作环境下的柔性可穿戴传感设备。本文主要综述了导电水凝胶的性能，包括传感性能、自黏附、抗冻和保湿、自愈合性能，以及其在柔性可穿戴设备中的应用。虽然导电水凝胶在可穿戴设备的应用中取得了巨大进展，但