柔性水凝胶膜传感器作为人机界面与生物组织的保形接触具有很大的优势，但其弱点和脱水，影响了灵活性和性能。在这里，开发了一种透气，高度可拉伸，抗脱水的超薄有机水凝胶薄膜，作为皮肤附着的应变传感器，用于长期运动监测。以隐强度电纺丝TPU (eTPU)纳米网为骨架，以甘油和水为溶剂，对2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)和丙烯酰胺(AAm)进行原位自由基聚合，形成互穿双网状有机水凝胶。eTPU纳米网与P(AMPS-co-AAm)网络之间广泛的氢键形成超薄有机水凝胶膜(≈200 μm)，拉伸时具有协同变形和能量耗散，拉伸性能达到创纪录的920%，断裂韧性达到20.14 MJ m−3，断裂能达到10,000 J m−2，并且在4000个缺口拉伸循环中具有50%应变的坚固性。甘油/水二元溶剂在室温下10 d具有优异的抗脱水性能，在- 20至60°C范围内具有稳定的感官性能。薄膜传感器具有1.3 kg m - 2 d - 1的高水蒸气透射率，可确保舒适的皮肤接触，全天连续监测膝盖弯曲，信号稳定。这些有机水凝胶薄膜应变传感器有望用于可穿戴和长期运动监测应用。
图解
方案:电纺纳米网增强有机水凝胶膜传感器。a)有机水凝胶膜的结构、协同变形和内部相互作用示意图。b)皮肤贴附传感器，全天膝盖弯曲监测。c)应变传感灵敏度、韧性、抗裂纹扩展、工作范围、防冻性能与文献比较。
图1:结构和力学性能。a) eTPU纳米网增强有机水凝胶的合成。b) eTPU纳米网、乙醇退火eTPU纳米网、P(AAm-co-AMPS)/PVA有机水凝胶、复合有机水凝胶膜的典型拉伸应力-应变曲线。c) eTPU纳米纤维的SEM图像，d)乙醇退火eTPU纳米纤维，e)纳米纤维复合有机水凝胶的截面。f)杨氏模量、韧性和g)复合有机水凝胶膜、eTPU纳米网和P(AAm-co-AMPS)/PVA有机水凝胶的FTIR光谱。h)复合有机水凝胶内部相互作用图。
图2：循环拉伸性能和抗裂纹扩展。a)网络拉伸示意图，b) 0和200%应变下有机水凝胶对应的二维SAXS图。c)有机水凝胶膜在50%应变时的循环拉伸应力-应变曲线，d)休息样品的循环拉伸应力-应变曲线。e)最大应力比(𝜎t/𝜎0)随时间的演变，其中𝜎0为初始状态下的最大应力。f)缺口复合有机水凝胶膜在0%、100%和200%应变下的照片。比例尺:1厘米。g)缺口膜和非缺口膜的典型应力-应变曲线。h)不同材料断裂能对比。i)缺口膜在1000次循环拉伸之前、期间和之后的显微照片。比例尺:0.5 mm。
图3：感官性能。a)复合有机水凝胶膜在25、- 20和60℃时的电导率。b)相对电阻-应变曲线及100%应变拟合曲线。c) 5% ~ 100%应变的电阻变化率和d)相对电阻变幅与应变的对应关系。e)离轴扭转、单轴拉伸和弯曲时的相对阻力变化率。f)复合有机水凝胶应变传感器在1%应变下的响应时间。g)电阻变化率从0.1%到4%应变。h)缺口膜传感器在50%拉伸4000次时的实时电阻变化。
图4：低温和高温下的性能。a)含或不含甘油凝胶的保水性。b)复合有机水凝胶在不同温度下具有代表性的应变-应力曲线。c)复合有机水凝胶在不同温度下对50%应变的电导率和d)应力-应变曲线，持续3 d。e)有机水凝胶传感器在- 20和60℃条件下对50%应变进行100次循环的实时响应，持续3 d。
图5：低温和高温下的性能。a)含或不含甘油凝胶的保水性。b)复合有机水凝胶在不同温度下具有代表性的应变-应力曲线。c)复合有机水凝胶在不同温度下对50%应变的电导率和d)应力-应变曲线，持续3 d。e)有机水凝胶传感器在- 20和60℃条件下对50%应变进行100次循环的实时响应，持续3 d。
图6：机器人手的手势识别。a)附着在(b)机器人手指背上的传感器阵列实时电阻变化示意图。c)机器人手指在- 20°c下弯曲和伸直的电阻信号。d)在- 20°C时，机械手的手势监测包括yeah, rock和good。e)与(c)和(d)相关的不同手势的机器人手照片。f)在- 20和60°c下对应阻力变化的手势。
结论
总之，我们提出了一种简单的策略，通过将弹性eTPU纳米网嵌入离子导电的有机水凝胶中来构建抗脱水膜状有机水凝胶传感器。因此，这种IPN结构设计具有显著的拉伸性能(断裂应变高达920%，韧性为20.14 MJ m−3)。互穿网络使复合材料在拉伸过程中实现有效的应力分散，从而防止裂纹扩展，断裂能高达10,000 J m−2。该传感器具有灵敏度高(最大GF = 6.68)、线性度高、工作范围宽、检出限低(0.5%应变)等特点。甘油溶剂的引入为复合有机水凝胶膜传感器提供了优异的环境耐受性(- 20至60°C)和抗脱水性能。我们演示了复合有机水凝胶膜应变传感器在膝盖运动检测中的应用。这种有机水凝胶薄膜传感器有望用于下一代可穿戴设备，具有高一致性，可用于实时运动监测和实现点对点医疗保健。对器件集成的研究，加上机器学习等跨学科技术的引入，可以进一步释放这种有机水凝胶膜传感器的发展潜力，扩大其应用范围。
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原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202411725
