中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
柔性可穿戴壓力傳感器具有優(yōu)異的響應性和復雜曲面適應能力，在健康監測和智能醫療等領(lǐng)域應用廣泛。而受限于材料本身的均質(zhì)結構，傳統的壓力傳感器難以同時(shí)實(shí)現高靈敏度和寬壓力檢測范圍。梯度結構離子導電水凝膠為解決這一難題提供了策略，但如何通過(guò)簡(jiǎn)便方式構建梯度結構離子導電水凝膠面臨挑戰。
中國科學(xué)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(kāi)發(fā)出簡(jiǎn)便易行的模量梯度離子導電水凝膠構建策略，并用于構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(shuō)話(huà)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 )中表現出增塑作用，增加了聚丙烯酰胺分子鏈的活動(dòng)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(jìn)了聚丙烯酸的微相分離，且其相分離結構增強了水凝膠的力學(xué)性能?；谏鲜鰴C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(shí)實(shí)現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/植酸區域和富含微相分離的聚丙烯酸/植酸區域，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性。對于不同頻率和振幅的聲波，該水凝膠傳感器可實(shí)現靈敏的無(wú)接觸式響應；對于聲音，該傳感器可實(shí)現特異且可重復的識別。同時(shí)，該傳感器可靈敏感知流速低至0.2m/s的微弱氣流。進(jìn)一步，對于脈搏、肌肉振動(dòng)等生理信號以及壓力較大的手指按壓，該傳感器均可實(shí)現靈敏的檢測和響應。
研究發(fā)現，將這一傳感器組裝制作成無(wú)線(xiàn)傳輸式足底傳感陣列，可實(shí)現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(shí)的足底壓力變化均具有連續且穩定的響應。同時(shí)，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學(xué)領(lǐng)域的應用奠定了基礎。
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(jìn)材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到中國科學(xué)院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )會(huì )員項目等的支持。
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
