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新型多功能柔性可穿戴式传感器守护健康

关键词:柔性传感器 可穿戴式传感器

时间:2023-01-18 11:27:35      来源:网络

柔性传感器在远程健康监测、身体运动跟踪、电子皮肤、人机界面和软体机器人技术中显示出巨大的潜力。水凝胶具有出色的拉伸性、柔性和生物相容性,使其成为柔性可穿戴式传感器的有吸引力的候选材料。近年来,人们通过利用官能团/添加剂/纳米填料来修饰水凝胶网络,致力于开发导电水凝胶,以实现多功能可穿戴式传感。

多功能柔性可穿戴式传感器介绍

柔性传感器在远程健康监测、身体运动跟踪、电子皮肤、人机界面和软体机器人技术中显示出巨大的潜力。水凝胶具有出色的拉伸性、柔性和生物相容性,使其成为柔性可穿戴式传感器的有吸引力的候选材料。近年来,人们通过利用官能团/添加剂/纳米填料来修饰水凝胶网络,致力于开发导电水凝胶,以实现多功能可穿戴式传感。


*水凝胶可穿戴柔性传感器

以下研究综述了水凝胶在汗液采样、柔性电极、应变/压力传感器和触控面板等柔性可穿戴式传感器中的最新应用进展,重点介绍了具有自修复、自粘附或抗冻性能的基于多功能导电水凝胶的柔性可穿戴式传感器,并简要介绍了导电水凝胶的代表性合成方法和策略。

导电水凝胶的设计与制备

受水凝胶的化学结构和合成方法的启发,导电水凝胶可通过将提供结构支撑的传统水凝胶和提供导电性的各种导电填料复合制得。如图所示,导电水凝胶的设计和合成方法主要有四种:A)通过溶解离子盐获得离子导电水凝胶B)通过掺杂分子直接交联导电材料C)水凝胶前驱体与导电填料悬浮液的凝胶化

D)导电聚合物在水凝胶网络中的原位聚合


*导电水凝胶的主要制备方法

基于水凝胶的柔性可穿戴式传感器

水凝胶材料具有显著的特性(如柔性、可拉伸性和生物相容性),可满足可穿戴式传感器的特殊需求,用于柔性可穿戴式传感器的水凝胶已经取得了相当大的进展。


*水凝胶在柔性可穿戴式传感器中的应用

汗液采样

汗液采样是汗液分析中的关键步骤,对汗液分析结果的可靠性和准确性有重要影响。水凝胶是具有超强吸水能力和良好保水性的亲水交联聚合物,可作为可穿戴式汗液采样传感器的基板。然而,使用水凝胶材料进行汗液采样的方法不能有效地将皮肤上的汗液与周围环境分开,增加了汗液被污染的可能性,使汗液的精准采集和储存受到限制。


*水凝胶材质的汗液传感器

柔性电极

柔性电极具有类似皮肤的机械性能,可以顺应性地附着在皮肤上,确保信号的准确性和佩戴的舒适性。水凝胶具有良好的柔性、拉伸性和生物相容性,已被证明适用于柔性电极。此外,作为基底的水凝胶还可以与弹性体结合用于柔性电极,但此类水凝胶的柔性电极大多韧性和耐久性较差。未来的研究应致力于有效延长水凝胶柔性电极的使用寿命,如提高水凝胶的力学性能,特别是韧性,或赋予水凝胶自修复能力。


*水凝胶材质的柔性电极

多功能导电水凝胶传感器

导电水凝胶在可穿戴式传感器领域具有巨大的应用前景。水凝胶的导电网络结构在外部刺激下会发生变形,从而改变水凝胶的电阻或电导率。各种具有抗冻、自粘附或自修复性能的导电水凝胶已被广泛应用于可进行人体健康和活动监测的柔性可穿戴式传感器之中。


*水凝胶柔性传感器在人体活动检测中的应用

自修复可穿戴式传感器。柔性可穿戴式传感器在实际应用中需要更加具有耐用性,能够“感知”和快速修复损伤的自修复能力可以有效延长传感器的使用寿命。设计水凝胶的双网络结构已被证明是制造自修复柔性传感器的有效方法。科研人员设计和开发了一类新型超分子海藻酸钠纳米纤维双网络水凝胶,其具有高应变敏感性、高透明度和自修复性等特性。


*A. 由无定形碳酸钙与藻酸盐/聚丙烯酸交联而成的自修复离子水凝胶
*B. 具有高应变灵敏度和自修复能力的海藻酸钠/聚丙烯酰胺超分子离子水凝胶传感器

自粘附可穿戴式传感器。大多数水凝胶传感器都需要额外的胶带或绷带贴在皮肤或衣服上,这使得传感器无法检测到微弱的信号,极大地阻碍了其在可穿戴设备中的应用。此外,由于水凝胶的韧性和粘附性之间存在着固有折中关系,大多数粘附性水凝胶通常表现出较差的韧性。近年来,一些具有良好的自粘性和机械性能的水凝胶应变传感器被开发出来。


*基于导电水凝胶的自粘附可穿戴式应变传感器。

抗冻可穿戴式传感器。抗冻性能是设计和制备水凝胶应变传感器的另一个重要指标。水在零度以下的温度下会在水凝胶中结冰,这不可避免地会影响水凝胶原有的柔性和导电性。将这种抗冻特性扩展到水凝胶,基于水凝胶的抗冻传感器可以在低温下保持自身的稳定性而提高其实用性。此外,水凝胶传感器的抗冻特性还可以保护人体皮肤免受冻伤的伤害。


*以PDA修饰的CNT作为导电材料的抗冻甘油-水凝胶型可穿戴式应变传感器

多功能可穿戴式传感器。近年来,用于可穿戴式传感器的具有自修复、自粘附或抗冻性能等不同特性的智能导电水凝胶的研发取得了显著进展。但大多数报道的导电水凝胶仅具有一种特定功能或单调刺激响应性,这与可穿戴式应变传感器实际应用所需多种功能不匹配。目前,开发兼具良好的机械性能、自修复能力、粘附性、抗冻性和生物相容性等综合多种特性的多功能导电水凝胶可穿戴式传感器已成为研究热点。

科研人员设计并制备了导电纳米复合水凝胶,其原理是在甘油-水二元溶剂中对甲基丙烯酸低聚(乙二醇)酯(OEGMA)单体进行原位聚合,其中无机粘土作为具有极强力学性能的物理交联剂,并提供导电离子。所得水凝胶不仅表现出优异的柔韧性和可拉伸性能,而且具有良好的导电性,使得基于该水凝胶的传感器可以快速稳定地检测到手指细微的运动。


*甘油-水纳米复合水凝胶应变传感器显示出优异的抗冻能力、可调节的热响应性和自修复性能

触控面板

随着人机交互应用的快速发展,柔性触控面板为人机交互提供了简单直观的界面,引起了极大的研究兴趣。触摸面板需要具有柔性、可拉伸性和生物相容性,并融入各种传感器与人体互动。具有高导电性、优异柔韧性和生物相容性的导电水凝胶可以满足这些要求,成为新一代触控面板的关键组成部分。


*基于导电水凝胶的代表性触控面板

以上研究综述了近年来基于水凝胶(包括导电水凝胶)的柔性可穿戴式传感器的最新进展,主要包括导电水凝胶的设计和制造,以及基于水凝胶的柔性可穿戴式传感器的附加功能的实际应用开发。基于导电水凝胶的柔性可穿戴式传感器的制备和性能远未达到商业化的要求。为了实现基于导电水凝胶的可穿戴式传感器的高效商业化,传感器的小型化和轻量化至关重要。

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