背景介紹

水凝膠柔性傳感器表現出機械靈活性、形狀適應性、制造可擴展性和生物相容性，在假肢電子皮膚、異常步態識別、虛擬現實和植入式心臟刺激裝置中具有巨大的潛在應用。為了從可拉伸水凝膠傳感器獲取電信號，在變形下保持其性能的導電電極是必不可少的。然而，由于材料要求的沖突，同時實現高導電性、顯著的可拉伸性和可靠的電連接是一個相當大的挑戰。

可拉伸性通常有利于松散堆積的長鏈分子，導致材料硬度低。例如，水凝膠通常具有10-100 kPa的彈性模量，與人體皮膚相當，使其能夠很好地適應軟生物組織。相反，高導電材料需要在密集堆積的晶體結構內具有高載流子密度，如銅、金和銀等金屬。這些金屬線/膜通常表現出超過100 MPa的彈性模量。水凝膠和電極材料之間的剛度差異可能會導致傳感器電路在實際應用中出現大幅性能波動甚至故障。因此，迫切需要具有高導電性和長期材料穩定性的柔性和可拉伸電極。

已經提出了各種戰略來解決這個問題。一種代表性的方法涉及確保軟相和硬相材料的均勻分布，例如利用Au/Ag納米粒子和自粘苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）熱塑性彈性體的兩相納米分散界面。另一種常用的策略是對電極材料進行拓撲優化，例如以蛇形圖案排列電極。這些方法可以減輕電極損壞的問題。然而，軟硬材料之間的接觸界面仍然廣泛存在。在大變形期間，容易發生相對滑動并在這些界面處累積，這可能會導致接觸電阻增加，甚至隨著時間的推移導致電路故障。理想的解決方案是構建可拉伸電路，其中電極材料和水凝膠具有相當的彈性模量和延展性，從而形成固有的可拉伸電路。

本文亮點

1. 本工作介紹了一種固有可拉伸的石墨烯水凝膠應變傳感器（GHSS），該傳感器是通過將水凝膠和具有非常接近匹配的彈性模量的3D石墨烯泡沫集成在一起而制成的。

2. GHSS的應變檢測限為0.02%，快速響應時間為64毫秒，長期穩定，能夠檢測人體關節運動、生理信號、觸摸板輸入和運動監測。

圖文解析

圖1. GHSS的設計。GHSS是一種復合結構，包括PAAm水凝膠作為敏感單元和3D石墨烯泡沫作為電極。

圖2. PAAm水凝膠的性質。a） 不同LiCl含量的水凝膠在環境（25°C，38%RH）中暴露0小時、24小時、72小時和120小時后的照片。b） 不同LiCl含量的水凝膠在環境（-20°C）中暴露0小時、1小時、2小時和14小時后的照片。c） PAAm-0 M、PAAm-1 M、PAAm-2 M和PAAm-4 M水凝膠的傅里葉變換紅外光譜。d） PAAm-0 M、PAAm-1 M、PAAm-2 M和PAAm-4 M水凝膠的XRD衍射圖。e） 2 mm厚水凝膠條的透光率。插圖顯示，通過水凝膠條，我們可以清楚地看到徽標和名稱。f） PAAm-4M水凝膠的應力-應變曲線。插圖是PAAm水凝膠從0拉伸到130%的照片。

圖3. 3D石墨烯泡沫和水凝膠石墨烯復合材料的表征。a-c）3D石墨烯泡沫的SEM圖像。d） 石墨烯的TEM圖像。插圖顯示了石墨烯的選區電子衍射（SAED）圖案。e） 多層石墨烯的高分辨率（HR）TEM圖像。f） 石墨烯泡沫的拉曼光譜。g） 流變測量顯示了3D石墨烯水凝膠在不同頻率（0.1-100 Hz）下的儲能模量（g′）、損耗模量（g〃）和損耗因子（tanδ）。h） PAAm水凝膠和3D石墨烯泡沫在0至60%的應變范圍內的應力-應變曲線。

圖4. 石墨烯泡沫電極的電性能。a） 石墨烯泡沫電極被卷起、折疊和壓縮。b） 在-1 V至+1 V的輸入電壓下，施加到石墨烯泡沫電極的電流與電壓的三種狀態圖。c） 施加矩形波時，石墨烯泡沫電極在不同彎曲度（30°、90°和150°）下的電阻變化。

圖5. GHSS的應變傳感特性。a） 傳感性能測試系統的示意圖。b） GHSS的相對電阻變化與拉伸應變之間的關系。c） d）分別施加三角波形和階梯波形時，GHSS在較小拉伸應變（1%、2%、3%、4%和5%）下的相對電阻變化。e） 在1%的預應變下檢測微小應變。f） g）分別施加三角波形和階梯波形時，GHSS在較大拉伸應變（10%、20%、30%、40%和50%）下的相對電阻變化。h） GHSS在施加1%應變下的響應曲線。i） GHSS在拉伸應變（0-40%）下進行了5000多次加載/卸載循環的測試；j） 插圖是五個周期的放大視圖。

圖6. GHSS的應用。a–d）肘關節彎曲和放松的相對阻力變化（a），“吞咽”運動（b），手指在0°、30°、60°和90°彎曲到不同角度（c），膝關節彎曲和松開（d）。e） sEMG電極的照片。f） PAAm水凝膠電極和商用電極在0、10和30分鐘時的sEMG信號。g） 2D水凝膠觸摸屏系統的示意圖。h） 以及i）在2D水凝膠觸摸板的中心手寫縮寫“NSI”和五角星時輸出圖像。

圖7. 多通道GHSS相對阻力變化檢測中國傳統八段錦運動的動作。a） 姿勢1“雙手高舉天空，調節三個燃燒器”。b） 姿勢2“兩邊拉弓，好像要射禿鷹”。c） 姿勢3“舉起一只手臂調節脾胃”。d） 姿勢4“回頭看，緩解五種壓力和七種損傷”。e） 姿勢5“用手觸摸腳，以加強腎臟和腰部”。f） 姿勢6“用耀眼的眼睛伸出拳頭以增強力量”。

審核編輯 黃宇