可穿戴设备可实时监测人体的生理信号，能够预防、及时发现人体潜在的病变可能，并跟踪治疗后的恢复进展，在医疗与健康领域具有重要意义。离子水凝胶材料具有优异的生物相容性和人体安全性，是柔性可穿戴设备的重要材料之一，在信号监测、人机界面等方面发挥显著作用。然而，可穿戴器件在工作时可能会承受外界应力导致水凝胶器件失效，制备具有韧性的、耐用的水凝胶传感器仍然存在一定的挑战。
南京大学的Lijia Pan和Yi Shi团队报道了基于双交联高韧性离子水凝胶材料的柔性温度传感器。首先研究了离子水凝胶中影响离子迁移率的因素，如离子尺寸、温度、电压等，并基于离子迁移对温度的依赖性制备了PAAm-SA水凝胶温度传感器。通过引入双交联高韧性水凝胶及紫外共聚封装技术，实现了传感器低回滞、高应力鲁棒性的特性。该可穿戴设备可检测身体各部位的不同温度。同时，具有快速响应和高温度分辨率的特点，可分辨呼吸时的微小温差（0.5℃），用于实时监测呼吸。同时，采用微纳米加工工艺制备了0.15mm^-1空间分辨率的温度传感器阵列，通过微气隙结构有效阻隔像素间的热串扰，实现了对小区域内温度分布的识别，有效勾勒出食指指尖的形状及手腕处浅表血管的路径。
机械性能与离子导电性
双交联的PAAm-SA导电水凝胶改善了单交联SA导电凝胶的机械性能，压缩韧性和拉伸韧性均得到增强。该水凝胶材料以离子为导电粒子，因此，水凝胶的导电性受多种因素影响，如离子的尺寸，离子半径越大，其活化能越大。外加电压同样影响双交联水凝胶的导电性，直流电压下，水凝胶呈绝缘状态，交流电压下，由于离子受交流电场影响存在周期性的运动，呈导电状态，并且电压越大、频率越高，导电性越好。
图1：PAAm-SA双交联导电水凝胶改善了单交联导电水凝胶的机械性能。水凝胶的离子导电性受离子半径、外加电压影响。
器件温敏性能
该工作基于导电水凝胶中离子迁移对温度的依赖性，制备了离子温度传感器。其封装层采用商用紫外固化树脂，与双交联水凝胶中的PAAm交联方式一致，利用紫外共聚技术，使封装层与传感层之间渗透交联，形成紧密的接触，该封装技术极大地减小了水凝胶脱水对器件的影响，扩大了传感器的温度响应范围，实现低回滞。同时，该器件具有较好的鲁棒性，在承受2000次压缩循环后温度响应几乎没有衰减。
图2：PAAm-SA水凝胶传感器的温度响应性能，具有快速响应、低回滞、高鲁棒性的特点。
可穿戴应用
该水凝胶温度传感器可用于人体温度检测。首先它可以测量人体不同部位的温度，例如手指、手背、手心、额头，其结果与商用红外成像仪一致，能有效分辨0.9℃的温差。将该器件贴附于口罩内部，可实时监测人体的呼吸行为，捕获均匀呼吸、屏息及深呼吸的动作。
图3：可穿戴温度传感器可用于检测不同身体部位的体温，监测呼吸行为。
传感器阵列化及其应用
根据不同材料的导热率差异，通过微纳加工技术制备了5×5的温度传感器阵列，通过继电器将该阵列的电极与阻抗分析仪相连，一分钟内可扫描完阵列内所有器件的阻抗值。该阵列的空间分辨率达0.15mm-1，可以分辨临近皮肤表面位置的温度差，有效识别指尖的温度分度，与商用红外成像仪结果一致，并且可以绘制出手腕浅表血管的路径。
图4：微加工工艺制备的温度传感器阵列，可识别小区域内温度分布，分辨人体临近位置的温度差异。
作者提出了一种基于双交联水凝胶的柔性温度传感器。详细探究了离子导电性的影响因素，制备了紫外共聚封装的水凝胶温度传感器，用以检测体温及监测呼吸。并设计低热串扰的温度传感器阵列，有效识别区域内的温度分布，为可穿戴传感器进一步发展拓展了思路，也为离子传感器在人机交互、假肢、仿生机器人等方面的应用提供了新策略。
【参考文献】
https://doi.org/10.1002/adfm.202314433
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