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圖1 抗溶脹水凝膠應變傳感器水下監測應用研究

蘭州大學化學化工學院呂少瑜教授課題組主要圍繞水凝膠以及多功能載體材料來展開研究。由于導電水凝膠固有的柔性、導電性和類生物組織性，逐漸成為制備柔性可穿戴設備的首選材料之一。然而，水凝膠在水環境中會不可避免地發生溶脹行為，這會極大地損害其力學和電學性能，進而影響其作為柔性可穿戴設備的傳感性能?；谏鲜鰡栴}，我們制備了一種抗溶脹導電水凝膠。該水凝膠具有高韌性（518 kJ/m³）、高壓縮模量（8.12 MPa）、高離子電導率（4.58 S/m）以及抗溶脹性能（水中30天平衡溶脹比為9%）。基于該抗溶脹水凝膠開發了一種水下應變傳感器，研究了其在水下運動監測領域的潛在應用。

該水凝膠傳感器由聚乙烯醇(PVA)、甲基丙烯酰乙基磺基甜菜堿(SBMA)和甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)的共聚物組成。柔性PHEMA鏈提供的氫鍵可提高水凝膠對外力的抵抗，同時增強了其適應外界鹽度和酸度變化的能力。冷凍/解凍形成的PVA微晶結構域作為無定形水凝膠網絡的交聯點，提高了水凝膠的機械強度。兩性離子SBMA的引入提供了離子遷移通道，因而提高了水凝膠的電導率。同時，通過調控兩性離子的平衡狀態，實現了水凝膠的抗溶脹。該水凝膠在純水和人工海水浸泡30天后平衡溶脹比分別為9%和13%。此外，水凝膠還能在不同溶劑和較寬的pH范圍內保持抗溶脹，這對拓展其應用十分有利。在水中浸泡一天后，該水凝膠傳感器仍表現出優異的傳感性能。進一步評估了該水凝膠應變傳感器在水下運動監測領域的潛在應用，結果顯示，該水凝膠傳感器能夠準確而可靠地識別水下運動信號（圖1）。該研究為開發用于水下環境的水凝膠傳感器提供了一種新的策略，且拓展了柔性可穿戴設備的應用領域。相關工作發表于Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2107404