【儀表網 研發快訊】 可穿戴傳感器可以通過非侵入的方式捕捉人體的各種信號并轉化為可識別的電信號，從而達到實時監測的目的，在健康管理等領域展現出了重要價值。相比于傳統的剛性可穿戴傳感器，由導電凝膠等軟材料構建的皮膚式可穿戴傳感器能與動態皮膚形成緊密的共型結構，提高傳感器的傳感準確性和穩定性，甚至實現對人體運動狀態的實時感知。
 

　　盡管基于導電凝膠的可穿戴傳感器研究已經取得巨大進展，并廣泛應用于動作監測、健康管理、表情和聲音識別、人機交互等諸多領域，但由于導電凝膠在水環境中存在吸水溶脹、導電組分流失、粘附性能衰退等問題，限制了其在水下探索等領域的應用與發展。近年來，通過對導電凝膠進行耐水性能的設計，研究人員實現了導電凝膠基可穿戴傳感器的水下傳感領域的應用，促進了該領域的研究快速發展
 

　　近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊陳濤研究員、肖鵬副研究員和魏俊杰博士基于在耐水導電高分子凝膠的構筑及其水下傳感方面的研究基礎，在Advanced Materials上發表題為“Water-Resistant Conductive Gels Toward Underwater Wearable Sensing”的綜述文章(Adv. Mater. 2023, DOI: 10.1002/adma.202211758)。
 

　　在該綜述中，作者首先對提高導電凝膠耐水性的方法進行了總結，歸納提出了封裝設計、疏水網絡結構和多重交聯作用這三種耐水設計策略，并詳細討論了各種策略的耐水原理、具體設計方法以及存在的優缺點，從而為未來的耐水導電凝膠設計提供指導。隨后對用于水下傳感領域的耐水導電凝膠的多功能性質進行了介紹。除了水下穩定性之外，探討了耐水導電凝膠的拉伸性質、水下粘附性質、水下自修復性質、可回收性質和3D打印性等性質對導電凝膠基水下可穿戴傳感器的傳感性能和制造加工工藝的影響，并重點討論了這些性質的優化改善方法。此外，對現有耐水導電凝膠在水下傳感領域的具體應用方向進行了匯總，著重總結了耐水導電凝膠在水下運動感知、水下健康監測、水下通訊、水環境分析幾個方向的研究進展，并分析了耐水導電凝膠在這些應用中存在的不足，為未來的水下傳感研究指明了方向。
 

　　盡管導電凝膠的耐水設計和傳下傳感研究已經取得了一定的成果，但該領域的發展尚處于起步階段，仍然存在一些問題和挑戰亟需解決。導電凝膠在水環境中的傳感性能與陸上性能有著明顯差異，相關的水下傳感機制和傳感模型有待進一步闡明；耐水導電凝膠的水下穩定性和水下傳感性能測試還沒有標準的方法，亟需建立統一的檢測方法進行有效對比和評估；在耐水導電凝膠和水下可穿戴傳感器的多功能設計上需要進一步努力，例如實現基于變色功能的可視化感知、基于自清潔功能的抗污能力和基于生物可降解的環境友好等。
 

　　為了滿足耐水導電凝膠基水下可穿戴傳感器的實際應用需求，需要進一步發展與水下可穿戴傳感器匹配的無線傳輸技術和自供能技術；如何實現多感知功能和多技術模塊在水下凝膠傳感系統中的一體化集成，尤其是如何實現“軟”凝膠材料與“硬”電子元件的穩定界面結合依然是該領域需要面臨的一個重要挑戰。
 

　　該論文得到了國家自然科學基金(51773215)、中國博士后科學基金(2021M690157、2022T150668)、寧波市自然科學基金(2121J206)、國家重點研發計劃項目(2022YFC2805204、2022YFC2805202)等項目的支持。
 

耐水導電凝膠的設計策略與水下傳感應用
 

　　(中科院海洋新材料與應用技術重點實驗室 魏俊杰)