华东师大研发可伸缩离子导电水凝胶传感器，可应用于人体运动监测中

由于其优异的灵活性和高灵敏度，可伸缩离子导电水凝胶传感器被认为是实时监测人体运动的最佳候选之一，作为可穿戴医疗检测电子设备。在人体运动检测中，离子导电水凝胶对其变形非常敏感。然而，目前报道的水凝胶由于疲劳，在多次重复拉伸循环后很难恢复最初的形状，导致反应迟钝和使用寿命下降。

本研究设计了一种超可拉伸、可恢复的离子导电水凝胶（双网络聚合物水凝胶（SA-Zn）： ZnSO4/海藻酸钠/聚丙烯酰胺）作为人体运动检测的可伸缩传感器。SA-Zn水凝胶具有良好的拉伸能力（可拉伸4000%）和良好的形状自适应能力（恢复时间为20min）。自恢复50次后，水凝胶仍然保持了良好的柔韧性、稳定的自恢复能力和高导电性。更重要的是，该无线可穿戴可伸缩传感器（SA-Zn-W）与Wi-Fi发射器结合后，可将人体运动转化为视觉电信号，显示出其卓越的灵敏度、快速的响应、有效的识别能力和稳定的机电重复性。卓越的性能的SA-Zn-W为 有效地和远程检测人体运动提供了一个有前途的解决方案。

图1-SA-Zn水凝胶的结构。

图2-水凝胶机械性能以及动态机理阐释

SA–Zn水凝胶优秀的弹性可以归因于内在结构各种物理动态相互作用共同协同作用。当SA-Zn水凝胶长度从0%拉伸到200%时，拉伸应力随拉伸应变迅速增大，呈线性关系，呈现出明显的弹性变形。在0% ~ 200%的拉伸过程中，破坏了框架结构中的分子链纠缠，使分子链沿外力方向排列（图2c）。因此，拉伸过程呈现出较大的应力，但拉应变较小。当拉伸应变大于200%时，拉伸应力与应变仍保持良好的线性关系，但存在一定的滞后。相比之下，200%以下的拉伸应变范围较大，应力变化较小，主要是由于动态相互作用。再分子链取向之后，动态相互作用为提高拉伸应变 （图3 d）发挥重要作用。Zn（II）作为水凝胶框架中的桥梁，将不同的分子链连接在一起。在拉伸过程中，外力破坏了分子链之间的动态相互作用，并迅速在分子链之间重新重建，使其展开滑动，从而保持稳定的连接，有效地扩大了拉伸应变。

其优异的自恢复性能是由于水凝胶的动态相互作用和分子链的运动。当外力释放时，被拉伸的分子链收缩并自由缠绕在一起。一旦分离的分子链与Zn（II）接触在一起，断裂的动态相互作用很容易再次连接。然后，动态的相互作用不断连接和重建，重新组合水凝胶的框架结构，直到水凝胶恢复原来的形状。

图3-用于机械信号转换的SA-Zn-W水凝胶传感器应用

总之，本研究开发了一种具有超拉伸和快速自恢复特性的新型天然聚合物离子导电水凝胶。在SA框架结构的基础上，引入功能单体AA和AM构建双网络结构，增强了SA的力学性能，为离子迁移提供了更多的通道。动态相互作用对SA-Zn水凝胶的超拉伸和形状自旋能力起着重要作用。由于两性离子结构， 离子导电水凝胶 显示优秀的电化学性能与较宽的工作电压范围 （-2.5 V—2.5 V） 和稳定的导电性。由于其高导电性、良好的弹性和回复性能，利用SA-Zn水凝胶结合Wi-Fi电子设备作为无线可伸缩传感器监测人体运动，具有良好的灵敏度和同步性。特别是SA-Zn水凝胶在对人体连续运动的远程监测中通过测量RRC显示出惊人的跟踪和识别能力。因此，SA-Zn水凝胶可伸缩传感器在人体运动监测中显示出了潜力。

责任编辑：gt