東北大學(xué)田野課題組 NML：由皮膚啟發(fā)的超強韌超分子多功能水凝膠電子皮膚用于人機交互
2023-04-16 來源：高分子科技
水凝膠柔性電子皮膚是一種新興且有發(fā)展前景的人機交互界面，具有敏感性、柔韌性、拉伸性、舒適性、生物相容性和可擴展性。因此，水凝膠電子皮膚可以使人與電子設(shè)備無縫連接，實現(xiàn)獨特的人機交互，在未來健康監(jiān)測、個人電子設(shè)備、智能機器人、可穿戴電子設(shè)備等方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景。然而傳統(tǒng)水凝膠電子皮膚由于水凝膠交聯(lián)強度和機械強度較差，難以承載高強度任務(wù)，應(yīng)用范圍有限。為了提高水凝膠的機械強度，可在水凝膠中引入了雙網(wǎng)絡(luò)、互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)、異質(zhì)結(jié)構(gòu)或自由基共聚，但需要各種化學(xué)引發(fā)劑或苛刻的條件(酸蝕、超聲、化學(xué)引發(fā))才能使水凝膠合成，過程復(fù)雜且不綠色。同時，基于PVA的仿生電子皮膚大多只有單一的功能特征，無法適應(yīng)當(dāng)前復(fù)雜場景的需求，如人機交互設(shè)備、智能康復(fù)醫(yī)療、水下加密通信等。因此，迫切需要開發(fā)一種超強韌、可回收、適用于多種復(fù)雜場景、方法簡單、環(huán)保的多功能、耐用的超分子水凝膠電子皮膚接口。
近期，東北大學(xué)醫(yī)學(xué)與生物信息工程學(xué)院田野副教授團隊開發(fā)了一種皮膚啟發(fā)的超強韌和可回收的超分子水凝膠電子皮膚PVA-Gp/TA-CaCl2 (命名為:PGC)，使用一次性物理交聯(lián)鹽析-凍融方法，沒有有毒副產(chǎn)物和復(fù)雜的工藝。此工作將鹽析法引入超分子自組裝體系中，調(diào)節(jié)大分子鏈在分子上的聚集纏結(jié)，從而獲得力學(xué)性能可調(diào)的水凝膠網(wǎng)絡(luò)。鹽析劑--β-甘油磷酸鈉(Gp)，比常用的鹽析劑(如NaCl)更有效。并通過添加單寧酸(TA)來賦予水凝膠抑菌和防紫外線等性能。最后，采用一次凍融的方法進一步提高鏈間結(jié)晶度，從而提高其機械強度。此外，添加Gp后的水凝膠的機械強度是相同質(zhì)量甘油水凝膠的37倍，拉伸應(yīng)力可達3.35 MPa，Gp和PVA濃度對PGC水凝膠的機械強度均有調(diào)節(jié)作用，最終能達到5.79 MPa的抗拉強度。PGC水凝膠具有超強韌性、導(dǎo)電性、抗菌性、防紫外性、抗溶脹性、可回收性和透光性。PGC水凝膠電子皮膚可以將皮膚的保護特性和靈活的傳感結(jié)合起來，適用于生活中的多種復(fù)雜場景。PGC水凝膠電子皮膚作為新一代電子皮膚接口，可用于精確監(jiān)測日常生理活動(心電圖、微表情、關(guān)節(jié)活動、咳嗽)，實現(xiàn)人機交互。PGC水凝膠電子皮膚還用于水下人機交互，通過水下活動和莫爾斯電碼傳輸信息，并使用解密程序?qū)λ?/span>/陸上信息進行加密/解密。此外，利用windows系統(tǒng)分析軟件，設(shè)計PGC水凝膠電子皮膚作為關(guān)節(jié)損傷患者肌力訓(xùn)練的關(guān)節(jié)康復(fù)系統(tǒng)，動態(tài)模擬肌力變化，反饋健康狀態(tài)，實現(xiàn)人機交互(前端數(shù)據(jù)采集—后端分析處理)。這種多功能仿生電子皮膚將對柔性傳感、康復(fù)醫(yī)學(xué)、人機交互、機器人、VR/AR和元宇宙的未來產(chǎn)生重大影響。
圖1. PGC水凝膠的仿生原理以及制備流程
圖2. PGC水凝膠的性能表征
圖3. PGC水凝膠的導(dǎo)電以及紫外過濾性能
圖4. PGC水凝膠的抑菌性能
圖5. PGC水凝膠應(yīng)用于人體運動檢測
圖6. PGC水凝膠應(yīng)用于水下加密通信
圖7. PGC水凝膠應(yīng)用于指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練
原文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-023-01084-8
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（責(zé)任編輯：xu）
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