導(dǎo)電水凝膠是軟電子產(chǎn)品開發(fā)中引人注目的材料。然而，它們的基本屬性，如高靈敏度、優(yōu)異的拉伸性和環(huán)境穩(wěn)定性，很少在一種水凝膠中同時(shí)實(shí)現(xiàn)。在此，提出了一種受 Kirigami 啟發(fā)的策略來提高有機(jī)水凝膠的敏感性，而不犧牲其機(jī)械拉伸性和環(huán)境穩(wěn)定性。通過將海藻酸鈉納米纖絲和導(dǎo)電 MXene 納米片引入甘油-水混合物滲透的聚合物雙網(wǎng)絡(luò)中，合成了具有多個(gè)互穿網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)水凝膠，具有顯著的拉伸性（> 5000％）、良好的靈敏度和保水性（> 30 天）。 Kirigami 結(jié)構(gòu)進(jìn)一步應(yīng)用于增強(qiáng)應(yīng)變靈敏度，實(shí)現(xiàn)了 29.1 的應(yīng)變系數(shù)，約為非結(jié)構(gòu)化有機(jī)水凝膠的 5.5 倍。利用受剪紙啟發(fā)的傳感器，開發(fā)了一種耐用的手套，通過操作機(jī)械臂來抓取水下物體，展示了水下交互式人機(jī)界面。同時(shí)，通過將可穿戴傳感器與機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，開發(fā)了可穿戴莫爾斯電碼智能識別該系統(tǒng)已得到演示，能夠?qū)⒛獱査闺姶a符號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為語音，具有卓越的識別精度（> 99％）和快速響應(yīng)時(shí)間（約17毫秒）。這項(xiàng)工作提供了合成高靈敏度、可拉伸和極其耐受的有機(jī)水凝膠的新途徑，為下一代軟電子產(chǎn)品提供了一個(gè)有前景的平臺。
Fig 1. 有機(jī)水凝膠和剪紙啟發(fā)結(jié)構(gòu)的制造示意圖，以及所制造設(shè)備的性能。 a) PASNM-Gly有機(jī)水凝膠的材料組成和合成。 b) 受剪紙啟發(fā)的 PASNM-Gly 有機(jī)水凝膠結(jié)構(gòu)。 c) Kirigami結(jié)構(gòu)的有機(jī)水凝膠的性能演示。
Fig 2. 材料的形貌和結(jié)構(gòu)，以及水凝膠的性能測試。 a) 稀釋后組裝的 NaCl/SA 水溶液中 SA 納米纖絲的 TEM 圖像（C
SA = 0.97 wt%，C
NaCl = 1.75 wt%）。 b) Ti
3C
2T
X 納米薄片的 TEM 圖像。插圖是相應(yīng)的 SAED 模式。 c) PASNM-Gly水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。 d）光固化過程中PASNM-Gly水凝膠的拉曼光譜。 e）不同成分水凝膠的拉曼光譜。 f) P(AM-AMPS-Na)水凝膠的FTIR光譜。 g) 不同水凝膠系統(tǒng)的力學(xué)測試曲線。 h) 非結(jié)構(gòu)化 PASNM-Gly 水凝膠的規(guī)格因子。 i) 含有和不含甘油的水凝膠中溶劑含量變化的比較。
Fig 3. 受剪紙啟發(fā)的有機(jī)水凝膠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 a) 八種剪紙結(jié)構(gòu)示意圖及其變形過程中的有限元分析。 b）具有不同Kirigami結(jié)構(gòu)的水凝膠傳感器的性能。 c）由單元電阻構(gòu)成的有機(jī)水凝膠（結(jié)構(gòu)S1和S2）的等效電路。 d）剪紙結(jié)構(gòu)S1、S2、S3和S4的理論電阻值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 e) 結(jié)構(gòu)S5和S6的裂紋擴(kuò)展示意圖。 f) Kirigami 結(jié)構(gòu) S1、S5、S6、S7 和 S8 的有限元分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。g) Kirigami結(jié)構(gòu)的有機(jī)水凝膠拉伸前后的示意圖（上）和照片（下）。
Fig 4. Kirigami 結(jié)構(gòu)水凝膠傳感器的應(yīng)變傳感能力。 a) 相對電阻-應(yīng)變曲線。 b) 應(yīng)力-應(yīng)變分布模擬結(jié)果。 c) 響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。 d) 應(yīng)變?yōu)?150% 時(shí)機(jī)電響應(yīng)與時(shí)間的關(guān)系。 e) 應(yīng)變?yōu)?10%時(shí)不同頻率下的相對電阻變化。 f) 0.05 Hz 頻率下 5 次循環(huán)拉伸期間的相對電阻變化。 g) 1000次連續(xù)拉伸-釋放循環(huán)的機(jī)械耐久性測試。 h) 該工作 Kirigami 結(jié)構(gòu)水凝膠傳感器與文獻(xiàn)中報(bào)道的傳感器的比較（在最大 GF、拉伸性和環(huán)境穩(wěn)定性方面）。
Fig 5. 運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。 a) 系統(tǒng)組成及原理圖。 b) 傳感器位置及相應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制示意圖。 c) (b) 中傳感器的電阻變化。 d) 機(jī)械臂抓取水下物體時(shí)的運(yùn)動(dòng)。 e) 控制機(jī)械臂的夾具抓取水下物體的序列圖像。
Fig 6. 可穿戴莫爾斯電碼識別和翻譯系統(tǒng)的應(yīng)用。 a）基于水凝膠傳感器的莫爾斯電碼翻譯系統(tǒng)的潛在應(yīng)用場景示意圖。 b) 摩爾斯電碼表，包括26個(gè)字母和10個(gè)數(shù)字。 c) BiLSTM模型的結(jié)構(gòu)。d,e) 分別識別 10 個(gè)數(shù)字和 26 個(gè)字母的混淆圖。 f) 分別識別10個(gè)數(shù)字和26個(gè)字母的準(zhǔn)確率曲線和損失曲線。 g) 穿戴式摩爾斯電碼智能翻譯系統(tǒng)演示，將“我需要幫助”的摩爾斯電碼信號轉(zhuǎn)換為語音，并實(shí)時(shí)顯示在應(yīng)用界面上。
相關(guān)研究工作由湖南大學(xué)Huigao Duan課題組于2023年在線發(fā)表在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊上，原文：Kirigami-Inspired 3D-Printable MXene Organohydrogels for Soft Electronics。
https://doi.org/10.1002/adfm.202308487
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
