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  人體皮膚內(nèi)的傳感系統(tǒng)能感知三維空間的刺激。受此啟發(fā)，研究開發(fā)能夠感知外力方向的多維柔性傳感器，在智能機(jī)器人和人機(jī)交互等領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用前景�；谒z的應(yīng)力、應(yīng)變傳感器生物相容性好、模量與組織相似、可拉伸、黏附性好，在柔性傳感領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。但水凝膠易失水，受力時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)易破壞，常導(dǎo)致導(dǎo)電性下降、性能遲滯（Hysteresis）等問(wèn)題，不利于傳感器穩(wěn)定工作。另一方面，多維傳感器要求精確控制各向異性結(jié)構(gòu)和傳感性能，對(duì)傳感材料的可加工性和結(jié)構(gòu)調(diào)控提出了很高的要求。因此，研究制備低遲滯、低失水的水凝膠，創(chuàng)新器件制造方法，構(gòu)建各向異性的多維傳感器，是本領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

圖1 低遲滯有機(jī)水凝膠的結(jié)構(gòu)、性能及其用作多維傳感器。

圖2 有機(jī)水凝膠的力學(xué)性能、粘附性、自愈合性和保水性。

圖3 有機(jī)水凝膠的傳感性能

圖4 有機(jī)水凝膠的3D打印性能

圖5 皮膚啟發(fā)的多維傳感器

圖6 多維傳感性能

  這種巧妙的多維結(jié)構(gòu)使傳感器能夠確定應(yīng)變的方向，是已有報(bào)道中單一結(jié)構(gòu)的傳感器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。將沿X軸、Y軸Z軸的拉力和壓力分別施加到多維傳感器上，三個(gè)子傳感器會(huì)產(chǎn)生不同的ΔR/R₀響應(yīng)（圖6a-f）；可以作為可穿戴的電子皮膚來(lái)感知志愿者手部外力的大小和方向（圖6g-i）。此外，多維傳感器可以識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)的起始和類型。將多維傳感器安裝在肩部，可以監(jiān)測(cè)志愿者舉啞鈴時(shí)的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)，通過(guò)藍(lán)牙將采集到的信號(hào)傳輸?shù)绞謾C(jī)上（圖6j-l）。當(dāng)志愿者來(lái)回?fù)]動(dòng)啞鈴時(shí)，Y軸和X軸子傳感器反復(fù)輸出信號(hào)，Y軸信號(hào)強(qiáng)度高于X軸信號(hào)強(qiáng)度，反映了志愿者在不同方向上的運(yùn)動(dòng)幅度（圖6k）。當(dāng)志愿者沿體側(cè)舉啞鈴和放啞鈴時(shí)，X軸的信號(hào)強(qiáng)度則遠(yuǎn)大于Y軸（圖6l）。

  該研究工作通過(guò)對(duì)水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)獲得了具有低遲滯、可打印、低失水、抗疲勞等性能有機(jī)水凝膠，解決了水凝膠在力學(xué)加載中易松弛、易疲勞、易失水等問(wèn)題。通過(guò)3D打印制備多維傳感器，可以感知外界刺激的方向，識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)，為感知3D刺激開辟了新的途徑，有利于促進(jìn)其在可穿戴運(yùn)動(dòng)識(shí)別和智能機(jī)器人感知系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156581