江西科技师范大学卢宝阳/南科大刘吉 AFM：用于水下机器人的抗疲劳导电聚合物水凝胶应变传感器

2023-07-15 来源：高分子科技

近年来，高灵敏度柔性应变传感器因其在软体机器人、医疗保健、智能可穿戴设备等领域的巨大前景而引起了极大的关注。然而，现有柔性应变传感器通常受限于运作环境，例如含水环境（出汗、水下操作等）会削弱传感系统的灵敏度和可靠性，甚至引发器件功能故障。导电聚合物水凝胶具有独特的柔软性、优良的应变传感性能和机械鲁棒性有望成为新一代应变传感器的核心元件。然而，当前导电聚合物水凝胶的力学性能，尤其是在长期应变下的抗疲劳性能（疲劳阈值低于100 J m^-2）仍难以满足多循环机械载荷应用中的需求。因此，开发具有优异抗疲劳性能的导电聚合物水凝胶，有望解决当前水下应变传感系统目前面临的关键挑战。

近日，江西科技师范大学卢宝阳教授团队与南方科技大学刘吉教授团队合作在《Advanced Functional Materials》上发表文章《Fatigue-resistant Conducting Polymer Hydrogels as Strain Sensor for Underwater Robotics》，报道了一种简单而通用的策略来设计与制造具有优异抗疲劳性能的导电聚合物水凝胶。所开发的导电聚合物水凝胶在1%-300%的应变下具有非常优异的应变-传感性能，可以用于水下机器人运动的实时监测。

图1. DFS PEDOT:PSS-PVA抗疲劳导电聚合物水凝胶设计原理。

该团队选用聚乙烯醇（PVA）和商业化导电聚合物PEDOT:PSS作为制备导电聚合物水凝胶的材料，通过定向冷冻辅助盐析策略（DFS）制备有序排列的各向异性抗疲劳PEDOT:PSS-PVA导电聚合物水凝胶（图1）。将聚合物组分转移到特制的模具中进行单向定向冷冻处理，使聚合物组分形成有序排列的各向异性结构，然而低结晶度导致单向定向冷冻水凝胶力学性能较差。进一步将PEDOT:PSS-PVA水凝胶浸入到柠檬酸钠溶液中，利用霍夫迈斯特效应诱导PVA网络的相分离和结晶，从而使水凝胶增韧。由于其独特的有序纳米纤维结构和高结晶度，DFS PEDOT:PSS-PVA导电聚合物水凝胶能够承受各种形式的机械变形和负载（超过自身重量10,000倍），并且在平行取向上的疲劳阈值能够达到300 J m^-2以上（图2）。在30,000次连续循环拉伸过程中，裂纹依然没有拓展，表现出优异的抗疲劳特性。

图2. DFS PEDOT:PSS-PVA导电聚合物水凝胶的各向异性抗疲劳性能。

DFS PEDOT:PSS-PVA水凝胶制备的应变传感器在微小变形(1%-10%)和大变形(10%-300%)内均表现出明显的电阻变化；同时，在0%-300%应变范围内逐步加载和卸载过程中的响应时间为130 ms，无明显迟滞现象。DFS PEDOT:PSS-PVA水凝胶应变传感器的灵敏度（GF）在0%-150%应变范围内为0.6、150%-250%应变范围为1.29、250%-300应变范围为3.93。10,000圈应变传感测试中，DFS PEDOT:PSS-PVA水凝胶应变传感器依旧维持稳定，显著优于前期已报道的各类水凝胶应变传感器（图3）。

图3. DFS PEDOT:PSS-PVA导电聚合物水凝胶的应变-传感性能。

该团队进一步将DFS PEDOT:PSS-PVA水凝胶应变传感器集成到水下机器鱼侧部作为关键承载元件和运动监测传感器（图4），在机器鱼游泳过程中，水凝胶经历周期性的拉伸和收缩（能量释放率为168 J m^-2），在游泳16小时后，超过100,000次循环后没有检测到任何裂纹扩展，证实了水凝胶作为水下应变传感器的长期可靠性。机器鱼两侧的PEDOT:PSS-PVA水凝胶可以作为独立的传感单元对机器人运动过程进行实时监测并对机器人的运动模式进行识别。

图4. DFS PEDOT:PSS-PVA导电聚合物水凝胶作为水下机器人的承重部件和传感器功能演示。

江西科技师范大学硕士生张志琳、南方科技大学硕士生陈广大、博士生薛羽为论文共同第一作者，刘吉副教授和卢宝阳教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、江西省柔性电子重点实验室、深圳市科技创新委员会和广东省基础研究和应用基础研究等基金项目的资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202305705

招聘信息

江西科技师范大学卢宝阳团队招聘事业编科研岗博士年轻教师，有意者请将个人简历（pdf）等相关材料发送至luby@jxstnu.edu.cn邮件标题请注明“姓名+毕业学校”，期待您的加盟！

卢宝阳教授简介：山东大学博士、麻省理工学院博士后、上海交通大学访问学者。主要致力于导电聚合物新材料研发、先进加工制造技术、器件集成及应用等研究。“江西青年五四奖章”获得者，入选省“双千计划”科技创新高端人才项目、省主要学科学术与技术带头人培养计划、省杰出青年人才资助计划、省“百人远航工程”。获省自然科学一等奖1项、省高校科技成果一等奖2项。以第一、共一或通讯作者在Nature Materials、Nature Reviews Materials、Nature Communications、Advanced Materials等发表SCI收录论文80余篇；申请美国、中国发明专利30余项，授权发明专利20余项。课题组更多信息请看：https://www.x-mol.com/groups/lu_baoyang

刘吉副教授及团队简介：刘吉博士于2019年9月加入南方科技大学独立建组，任博士生导师。主要研究领域为软材料的极限性能设计、仿生软材料、界面粘合、软材料3D打印以及功能软材料在组织工程上的应用等。近年来，在Science Advances，Nature Communications，PNAS，Advanced Materials，Advanced Functional Materials等期刊上发表文章50余篇。先后获得国家级青年人才项目(2020)、《麻省理工科技评论》中国区 “35岁以下科技创新35人” (2020)、珠江人才引进高层次人才青年项目(2020)、深圳市海外高层次人才(2020)、日本高分子协会青年学者奖(2017)、玛丽居里学者(2015)等荣誉。课题组更多信息请看：http://faculty.sustech.edu.cn/liuj9/

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（责任编辑：xu）

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