柔性可穿戴壓力傳感器具有優(yōu)異的響應(yīng)性和復雜曲面適應(yīng)能力，在健康監(jiān)測和智能醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。而受限于材料本身的均質(zhì)結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的壓力傳感器難以同時實現(xiàn)高靈敏度和寬壓力檢測范圍。梯度結(jié)構(gòu)離子導電水凝膠為解決這一難題提供了策略，但如何通過簡便方式構(gòu)建梯度結(jié)構(gòu)離子導電水凝膠面臨挑戰(zhàn)。
中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所科研團隊基于植酸-聚合物相互作用機理研究，開發(fā)出簡便易行的模量梯度離子導電水凝膠構(gòu)建策略，并用于構(gòu)筑高性能壓力傳感器。這一傳感器具有更寬的壓力檢測范圍、更優(yōu)異的低壓檢測能力和更高的整體靈敏度，可有效識別聲波和氣流引起的微弱壓力、由說話和手指按壓產(chǎn)生的中度壓力以及較高量級的足底壓力。
該團隊探討了植酸與水凝膠基質(zhì)的相互作用，發(fā)現(xiàn)了植酸與不同聚合物之間存在不同的作用方式。在聚丙烯酰胺/植酸水凝膠中，植酸在聚丙烯酰胺網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)出增塑作用，增加了聚丙烯酰胺分子鏈的活動能力，降低了水凝膠的模量。而在聚丙烯酸/植酸水凝膠中，植酸促進了聚丙烯酸的微相分離，且其相分離結(jié)構(gòu)增強了水凝膠的力學性能。基于上述機理研究，該團隊采用預聚液澆筑法，將不同植酸-聚合物的水凝膠整體構(gòu)筑為具有梯度模量的離子導電水凝膠壓力傳感器。
研究顯示，這一傳感器同時實現(xiàn)了高靈敏度和寬壓力檢測范圍。在梯度水凝膠中，富含增塑作用的聚丙烯酰胺/植酸區(qū)域和富含微相分離的聚丙烯酸/植酸區(qū)域，分別為壓力傳感器提供了優(yōu)異的低壓檢測能力和高壓響應(yīng)性。對于不同頻率和振幅的聲波，該水凝膠傳感器可實現(xiàn)靈敏的無接觸式響應(yīng)；對于聲音，該傳感器可實現(xiàn)特異且可重復的識別。同時，該傳感器可靈敏感知流速低至0.2m/s的微弱氣流。進一步，對于脈搏、肌肉振動等生理信號以及壓力較大的手指按壓，該傳感器均可實現(xiàn)靈敏的檢測和響應(yīng)。
研究發(fā)現(xiàn)，將這一傳感器組裝制作成無線傳輸式足底傳感陣列，可實現(xiàn)較高壓的足底壓力分布檢測，對于不同的靜態(tài)站姿和行走時的足底壓力變化均具有連續(xù)且穩(wěn)定的響應(yīng)。同時，植酸賦予水凝膠優(yōu)異的抗菌性能和生物相容性，為壓力傳感器在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
相關(guān)研究成果以Phytic Acid-induced Gradient Hydrogels for Highly Sensitive and Broad Range Pressure Sensing為題，發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到中國科學院青年創(chuàng)新促進會會員項目等的支持。
論文鏈接
植酸誘導的模量梯度離子導電水凝膠用于高靈敏寬范圍壓力傳感
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