传感器作为可穿戴设备的核心组件，其功能化决定了可穿戴设备的发展。应变传感器具有随机械形变可重复变化的电学特性以及类似人体皮肤触觉的传感灵敏度，有望应用于生物力学研究、人体健康监测、嵌入治疗传感以及软机器人的感觉皮肤。

  近日，北京林业大学材料学院的马明国教授课题组与北京化工大学的万鹏博课题组合作，在ACS Applied Materials & Interfaces 上报道了水凝胶应变传感器领域的精彩研究。

  将半导体与衬体整合或是掺杂导体于弹性体内等策略设计出的高传感灵敏度应变传感器已经得到很好的发展，但是其低延展性、较差的耐久性以及自身刚度导致不利于与皮肤的紧密贴合，为可穿戴性带来了挑战。聚合物水凝胶作为一种由大量水分和三维聚合物网络构成的物质，具有类似生物软组织的柔软性，而且还展现出优于传统聚合物的延展性、自修复能力和自恢复性，成为可穿戴或可嵌入设备的理想柔软基体材料。然而，如何将可观的机械性能和高传感灵敏度整合到一起，设计出一款可伸缩、弹性、自修复、应变敏感的水凝胶作为可穿戴传感器仍然存在挑战。

  受自然界中具有多级网络结构和优良机械性能的生物软组织启发，北京林业大学与北京化工大学的研究团队通力合作，模仿软组织的多级结构，通过向PVA和PVP共价交联的“软”聚合物网络中引入三价铁离子与羟基之间配位绑定的纳米纤维素增强区域来制备功能网络水凝胶，构建了协同“软-硬-软”的三明治多级结构，成功将可伸缩性、弹性、自修复性、高应变敏感度整合到一起，设计了一款高性能、柔软、可穿戴的水凝胶应变传感器。

图1. 功能网络水凝胶的可伸缩性、弹性、韧性性能。图片来源：ACS Applied Materials & Interfaces

  该研究工作制备的功能网络水凝胶展现出高韧性，手指按压不破损，在不规则应变后仍然保持高韧性；这种材料可任意成型、打结，最长可伸缩800％以上。此外，该水凝胶可紧密贴敷在皮肤表面，用作可穿戴设备基体材料。功能网络水凝胶具有较强的自修复性能，破损后5分钟内就可以自我修复，修复过程不需要其他外界刺激。作者利用水凝胶连接在电路中，通过研究破损前后对电路中LED灯亮度的影响发现，水凝胶修复前后对其传感性能几乎没有影响。

图2. 功能网络水凝胶的自修复性能。图片来源：ACS Applied Materials & Interfaces

  利用该款功能强大的、可伸缩的、应变敏感的水凝胶，可广泛应用于人体运动监测、呼吸监测、脉搏监测等领域。水凝胶的相对电阻随着应变的变化而变化，具有响应速度快，传感灵敏度高等特点。利用水凝胶可以监测食指关节运动，可以应用于监测人体不同呼吸模式，也可以应用于监测人体不同运动状态下的脉搏跳动。

图3. 应用于人体运动监测、呼吸监测、脉搏监测的功能网络水凝胶的传感性能。图片来源：ACS Applied Materials & Interfaces

  该研究工作基于仿生合成，制备的水凝胶应变传感器具有自修复性、高弹性、高韧性、高应变敏感度等优势，开辟了纳米纤维素水凝胶应用的新途径，为水凝胶应变传感器应用于可穿戴领域提供了新思路和新方法。

  该研究成果发表在材料研究领域著名刊物ACS Applied Materials & Interfaces 上，论文的第一作者是北京林业大学的硕士研究生刘艳军。该研究得到了中央高校基本科研业务费(2015ZCQ-CL-03)和齐鲁工业大学制浆造纸省部级重点实验开放基金的大力支持。

  论文链接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b07639