【摘 要】
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柔性力敏感材料具有优异的可弯曲性、可折叠性以及可拉伸性,在柔性传感器、可穿戴设备、柔性机器人、人机交互等领域有广泛的应用前景。和其他柔性力敏感材料相比,导电水凝胶具有优异的柔顺性和生物相容性,是构筑下一代柔性力学传感器的关键材料之一。然而,现有的导电水凝胶材料柔顺性有限且滞后明显。采用传统导电水凝胶组装的柔性力学传感器普遍存在灵敏度低、传感器与被测物体贴合性差等问题,限制了导电水凝胶在柔性力学传感
【基金项目】
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陕西省创新人才推进计划-青年科技新星项目（No.2021KJXX-42）
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柔性力敏感材料具有优异的可弯曲性、可折叠性以及可拉伸性,在柔性传感器、可穿戴设备、柔性机器人、人机交互等领域有广泛的应用前景。和其他柔性力敏感材料相比,导电水凝胶具有优异的柔顺性和生物相容性,是构筑下一代柔性力学传感器的关键材料之一。然而,现有的导电水凝胶材料柔顺性有限且滞后明显。采用传统导电水凝胶组装的柔性力学传感器普遍存在灵敏度低、传感器与被测物体贴合性差等问题,限制了导电水凝胶在柔性力学传感器中的应用。本论文采用聚乙烯醇（PVA）、苯胺（ANI）和植酸（PA）为原料,通过原位氧化聚合和循环冻融制备了高柔顺、低滞后的聚乙烯醇/聚苯胺（PVA/PANI）水凝胶和有机/水凝胶材料,并进一步通过模板法构筑了具有微凸起结构和层状非对称结构的凝胶。采用凝胶为关键敏感材料组装了柔性力学传感器并研究了其传感性能,探索了力学传感器在人体运动等方面的应用。主要研究内容和研究结果如下:（1）通过系统调控柔性链（PVA）与刚性链（PANI）的含量制备了全物理交联的高柔顺、低滞后PVA/PANI杂化水凝胶。这种水凝胶具有与人体软组织相近的弹性模量和低应变滞后（约5%）。采用这种水凝胶组装的应变传感器可实现较高的灵敏度（GF=4.28）和良好的稳定性（＞1000次循环）。进一步在PVA/PANI杂化水凝胶中引入甘油构筑有机/水凝胶,实现了水凝胶良好的保湿性能,在室温下放置7天也能保持良好的柔顺性和传感性能。最后,采用PVA/PANI凝胶应变传感器实现了关节弯曲和吞咽等人体活动的实时监测。（2）采用模板法制备了含有微凸起结构的PVA/PANI杂化水凝胶电极并构筑了“三明治”结构的电容式压力传感器。系统研究了凝胶电极的组分、厚度以及微凸起结构尺寸对传感器灵敏度的影响规律。由于微凸起结构的引入,传感器的灵敏度得到大幅提高(最高为7.7 k Pa-1)。进一步采用甘油/水凝胶为电极构筑电容式压力传感器,实现了-18°C条件下的压力传感。该电容式压力传感器不仅可以监测关节弯曲等较大压力,而且可以检测吹气和毛笔书写等微小压力。（3）以PVA水凝胶为基础,通过循环冻融法制备了具有单面粘附功能的层状非对称水凝胶。该层状水凝胶由具有可逆粘附的PVA/PA层和无粘附性的PVA/PANI层组成,其柔顺性可以通过凝胶组成进行调控。PVA/PA层和PVA/PANI层之间的界面剥离力可达114.6 N/m。这种层状水凝胶组装的应变传感器具有高灵敏度（GF:3.4）、低响应时间（负载:60 ms,卸载:62 ms）和良好的可逆响应（＞1000次循环）。此外,进一步将该应变传感器与蓝牙无线信号传输系统耦合构建无线可穿戴传感器,可以通过手机中的APP实时、便捷地监测行走、蹲起、爬楼梯等人体活动。
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