齐鲁工业大学刘温霞教授和济南大学刘宏教授Small综述：柔性应变传感器用导电水凝胶的研究进展

youyoucao 3年前 (2021-10-20) 4322浏览

第一作者：李刚

通讯作者：刘温霞、刘宏、李国栋

通讯单位：齐鲁工业大学生物基材料与绿色造纸国家重点实验室、济南大学前沿交叉研究院

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202101518

成果简介

柔性应变传感器因其具有人类皮肤的柔韧性和可以通过将各种外界刺激转换为电信号来模拟人类皮肤的感觉功能，在医疗监测设备、智能机器人和可穿戴传感器等领域引起了人们极大的关注和研究兴趣。在过去的几年中，导电水凝胶被广泛用于制造应变传感器，其在应变传感器的组装和传感中的应用非常活跃，并扮演者非常重要的角色。近日，齐鲁工业大学生物基材料与绿色造纸国家重点实验室刘温霞教授课题组和济南大学前沿交叉研究院刘宏教授联合在《Small》杂志上发表了题为“Development of Conductive Hydrogels for Fabricating Flexible Strain Sensors”的综述文章（图1）。该综述首先总结了柔性应变传感器所需的导电水凝胶的独特性能，然后描述了在不同传感模式下设计的基于导电水凝胶的柔性传感器，最后总结了它们在传感器领域的巨大优势和前景，并对未来发展提出了一些建议和展望。

图1 本文的内容简介示意图

内容速览

一、导电水凝胶的特性

理想的柔性应变传感器应具有高灵敏度、良好的机械性能、优异的环境适应能力、长期稳定性和耐损伤。因此，开发具有高导电性、良好机械性能、自修复能力和抗冻性的导电水凝胶对于设计柔性电子设备至关重要。最近，研究人员在赋予导电水凝胶制造柔性应变传感器所需的特性方面取得了很大进展。通过填充工程和与其他功能纳米材料的结合，导电水凝胶被赋予了柔性应变传感器所需的许多可调节和独特的特性，包括导电性、机械性能、自愈能力和抗冻性。在该部分内容中，我们系统地回顾和总结了导电水凝胶这些不可或缺的特性。

图2 基于导电聚合物的导电水凝胶交联结构示意图

图3 基于碳纳米管和石墨烯导电材料的导电水凝胶交联结构示意图

图4 基于MXene导电材料的导电水凝胶交联结构示意图

图5 基于金属导电材料的导电水凝胶交联结构示意图

图6 基于电解质/聚电解质材料的导电水凝胶交联结构示意图

图7 导电水凝胶的机械性能

图8 导电水凝胶的自愈合性能

图9 导电水凝胶的抗冻性能

二、导电水凝胶在柔性应力传感器领域的应用

在实际应用中，应变传感器应该具有高灵敏度（Gauge factor，GF）、低检测限、快速响应及经久耐用的特性，且可承受循环加载/卸载并保持稳定的传感性能。在能源匮乏的环境中，应变传感器还需要能够自供电。因此，实际应用对基于导电水凝胶的传感器提出了许多挑战，尤其是导电水凝胶类应变传感器的灵敏度普遍较低，响应时间相对较长。为了提高导电水凝胶传感器的性能，除了提高导电水凝胶的导电性及为水凝胶引入微结构外，还探索了在不同传感模式下工作的基于导电水凝胶的应变/压力传感器，通过选择不同的工作模式，针对性地提高水凝胶应变/压力传感器的灵敏度和加快响应时间，并满足自供电的要求。

在该部分内容中，我们首先简单总结了各种典型的导电水凝胶传感器的工作模式（包括电阻、电容、压电、摩擦电和基于原电池的模式），并回顾了在不同传感模式下运行的导电水凝胶应变/压力传感器的最新进展。