3D石墨烯泡沫与水凝胶集成,打造本质可拉伸运动传感器

本文，南京航空航天大学周建新在《Small》期刊发表名为“Intrinsically Stretchable Motion Sensor Enabled by 3D Graphene Foam Integrated Hydrogel”的论文，研究提出结合弹性模量为35kPa的柔性水凝胶和弹性模量为33kPa的柔性三维石墨烯泡沫，开发了一种可拉伸石墨烯水凝胶应变传感器（GHSS）。含有氯化锂的聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶具有高透明度和稳定性，因此被选为离子导体。高导电性三维石墨烯泡沫是通过化学气相沉积工艺制成的，其机械性能经过精心定制，与 PAAm 水凝胶的机械性能非常接近。得益于其内在的可拉伸性，GHSS 表现出卓越的应变传感性能和机械/电气鲁棒性，测量范围宽达 400%，应变检测限为 0.02%，动态响应迅速，响应时间为 64 毫秒，长期稳定性超过 10 000 次循环。这些功能使其能够检测人体关节运动、生理信号和肌电信号。此外，我们还展示了基于GHSS的触控板，它能够进行表面书写和绘画，还展示了多运动监测系统，它能够准确识别八段锦练习中的不同状态。

图文导读

图1、GHSS 的设计。GHSS 是一种复合结构，包括作为敏感单元的 PAAm 水凝胶和作为电极的 3D 石墨烯泡沫。

图2、PAAm水凝胶的特性。

图3、3D石墨烯泡沫和水凝胶-石墨烯复合材料的表征。

图4、石墨烯泡沫电极的电气特性。

图5、GHSS 的应变传感特性。

图6、GHSS的应用。

图7、多通道GHSS的相对阻力变化，用于检测中国传统八段锦运动的运动。

小结

总之，我们成功开发了一种完全灵活的应变传感器，该传感器具有灵敏的单元和弹性模量紧密匹配的电极。应变传感器具有测量范围宽 （400%）、高分辨率 （0.02%）、快速动态响应 （64 ms） 和长期稳健的机械性能 （>10 000次循环），能够方便地检测人体关节运动和生理信号。GHSS 触摸板的构造是为了获取手写输入并将其转换为相应的图像。多通道动作捕捉是通过使用多个 GHSS 来记录和表征伸展运动时的姿势来实现的。相信本研究可为未来柔性智能传感器的设计与开发提供思路。

文献：

https://doi.org/10.1002/smll.202407957