由3D石墨烯泡沫集成水凝胶实现的固有可拉伸运动传感器

背景介绍

水凝胶柔性传感器表现出机械灵活性、形状适应性、制造可扩展性和生物相容性，在假肢电子皮肤、异常步态识别、虚拟现实和植入式心脏刺激装置中具有巨大的潜在应用。为了从可拉伸水凝胶传感器获取电信号，在变形下保持其性能的导电电极是必不可少的。然而，由于材料要求的冲突，同时实现高导电性、显著的可拉伸性和可靠的电连接是一个相当大的挑战。

可拉伸性通常有利于松散堆积的长链分子，导致材料硬度低。例如，水凝胶通常具有10-100 kPa的弹性模量，与人体皮肤相当，使其能够很好地适应软生物组织。相反，高导电材料需要在密集堆积的晶体结构内具有高载流子密度，如铜、金和银等金属。这些金属线/膜通常表现出超过100 MPa的弹性模量。水凝胶和电极材料之间的刚度差异可能会导致传感器电路在实际应用中出现大幅性能波动甚至故障。因此，迫切需要具有高导电性和长期材料稳定性的柔性和可拉伸电极。

已经提出了各种战略来解决这个问题。一种代表性的方法涉及确保软相和硬相材料的均匀分布，例如利用Au/Ag纳米粒子和自粘苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）热塑性弹性体的两相纳米分散界面。另一种常用的策略是对电极材料进行拓扑优化，例如以蛇形图案排列电极。这些方法可以减轻电极损坏的问题。然而，软硬材料之间的接触界面仍然广泛存在。在大变形期间，容易发生相对滑动并在这些界面处累积，这可能会导致接触电阻增加，甚至随着时间的推移导致电路故障。理想的解决方案是构建可拉伸电路，其中电极材料和水凝胶具有相当的弹性模量和延展性，从而形成固有的可拉伸电路。

本文亮点

1. 本工作介绍了一种固有可拉伸的石墨烯水凝胶应变传感器（GHSS），该传感器是通过将水凝胶和具有非常接近匹配的弹性模量的3D石墨烯泡沫集成在一起而制成的。

2. GHSS的应变检测限为0.02%，快速响应时间为64毫秒，长期稳定，能够检测人体关节运动、生理信号、触摸板输入和运动监测。

图文解析

图1. GHSS的设计。GHSS是一种复合结构，包括PAAm水凝胶作为敏感单元和3D石墨烯泡沫作为电极。

图2. PAAm水凝胶的性质。a） 不同LiCl含量的水凝胶在环境（25°C，38%RH）中暴露0小时、24小时、72小时和120小时后的照片。b） 不同LiCl含量的水凝胶在环境（-20°C）中暴露0小时、1小时、2小时和14小时后的照片。c） PAAm-0 M、PAAm-1 M、PAAm-2 M和PAAm-4 M水凝胶的傅里叶变换红外光谱。d） PAAm-0 M、PAAm-1 M、PAAm-2 M和PAAm-4 M水凝胶的XRD衍射图。e） 2 mm厚水凝胶条的透光率。插图显示，通过水凝胶条，我们可以清楚地看到徽标和名称。f） PAAm-4M水凝胶的应力-应变曲线。插图是PAAm水凝胶从0拉伸到130%的照片。

图3. 3D石墨烯泡沫和水凝胶石墨烯复合材料的表征。a-c）3D石墨烯泡沫的SEM图像。d） 石墨烯的TEM图像。插图显示了石墨烯的选区电子衍射（SAED）图案。e） 多层石墨烯的高分辨率（HR）TEM图像。f） 石墨烯泡沫的拉曼光谱。g） 流变测量显示了3D石墨烯水凝胶在不同频率（0.1-100 Hz）下的储能模量（g′）、损耗模量（g〃）和损耗因子（tanδ）。h） PAAm水凝胶和3D石墨烯泡沫在0至60%的应变范围内的应力-应变曲线。

图4. 石墨烯泡沫电极的电性能。a） 石墨烯泡沫电极被卷起、折叠和压缩。b） 在-1 V至+1 V的输入电压下，施加到石墨烯泡沫电极的电流与电压的三种状态图。c） 施加矩形波时，石墨烯泡沫电极在不同弯曲度（30°、90°和150°）下的电阻变化。

图5. GHSS的应变传感特性。a） 传感性能测试系统的示意图。b） GHSS的相对电阻变化与拉伸应变之间的关系。c） d）分别施加三角波形和阶梯波形时，GHSS在较小拉伸应变（1%、2%、3%、4%和5%）下的相对电阻变化。e） 在1%的预应变下检测微小应变。f） g）分别施加三角波形和阶梯波形时，GHSS在较大拉伸应变（10%、20%、30%、40%和50%）下的相对电阻变化。h） GHSS在施加1%应变下的响应曲线。i） GHSS在拉伸应变（0-40%）下进行了5000多次加载/卸载循环的测试；j） 插图是五个周期的放大视图。

图6. GHSS的应用。a–d）肘关节弯曲和放松的相对阻力变化（a），“吞咽”运动（b），手指在0°、30°、60°和90°弯曲到不同角度（c），膝关节弯曲和松开（d）。e） sEMG电极的照片。f） PAAm水凝胶电极和商用电极在0、10和30分钟时的sEMG信号。g） 2D水凝胶触摸屏系统的示意图。h） 以及i）在2D水凝胶触摸板的中心手写缩写“NSI”和五角星时输出图像。

图7. 多通道GHSS相对阻力变化检测中国传统八段锦运动的动作。a） 姿势1“双手高举天空，调节三个燃烧器”。b） 姿势2“两边拉弓，好像要射秃鹰”。c） 姿势3“举起一只手臂调节脾胃”。d） 姿势4“回头看，缓解五种压力和七种损伤”。e） 姿势5“用手触摸脚，以加强肾脏和腰部”。f） 姿势6“用耀眼的眼睛伸出拳头以增强力量”。

审核编辑 黄宇