由皮肤启发的超强韧超分子多功能水凝胶电子皮肤用于人机交互

发布日期:2023-04-25 浏览次数:1061

水凝胶柔性电子皮肤是一种新兴且有发展前景的人机交互界面,具有敏感性、柔韧性、拉伸性、舒适性、生物相容性和可扩展性。因此,水凝胶电子皮肤可以使人与电子设备无缝连接,实现独特的人机交互,在未来健康监测、个人电子设备、智能机器人、可穿戴电子设备等方面显示出广阔的应用前景。然而传统水凝胶电子皮肤由于水凝胶交联强度和机械强度较差,难以承载高强度任务,应用范围有限。为了提高水凝胶的机械强度,可在水凝胶中引入了双网络、互穿聚合物网络、异质结构或自由基共聚,但需要各种化学引发剂或苛刻的条件(酸蚀、超声、化学引发)才能使水凝胶合成,过程复杂且不绿色。同时,基于PVA的仿生电子皮肤大多只有单一的功能特征,无法适应当前复杂场景的需求,如人机交互设备、智能康复医疗、水下加密通信等。因此,迫切需要开发一种超强韧、可回收、适用于多种复杂场景、方法简单、环保的多功能、耐用的超分子水凝胶电子皮肤接口。



近期,东北大学医学与生物信息工程学院田野副教授团队开发了一种皮肤启发的超强韧和可回收的超分子水凝胶电子皮肤PVA-Gp/TA-CaCl2 (命名为:PGC),使用一次性物理交联盐析-冻融方法,没有有毒副产物和复杂的工艺。此工作将盐析法引入超分子自组装体系中,调节大分子链在分子上的聚集缠结,从而获得力学性能可调的水凝胶网络。盐析剂--β-甘油磷酸钠(Gp),比常用的盐析剂(如NaCl)更有效。并通过添加单宁酸(TA)来赋予水凝胶抑菌和防紫外线等性能。最后,采用一次冻融的方法进一步提高链间结晶度,从而提高其机械强度。此外,添加Gp后的水凝胶的机械强度是相同质量甘油水凝胶的37倍,拉伸应力可达3.35 MPa,Gp和PVA浓度对PGC水凝胶的机械强度均有调节作用,最终能达到5.79 MPa的抗拉强度。PGC水凝胶具有超强韧性、导电性、抗菌性、防紫外性、抗溶胀性、可回收性和透光性。PGC水凝胶电子皮肤可以将皮肤的保护特性和灵活的传感结合起来,适用于生活中的多种复杂场景。PGC水凝胶电子皮肤作为新一代电子皮肤接口,可用于精确监测日常生理活动(心电图、微表情、关节活动、咳嗽),实现人机交互。PGC水凝胶电子皮肤还用于水下人机交互,通过水下活动和莫尔斯电码传输信息,并使用解密程序对水下/陆上信息进行加密/解密。此外,利用windows系统分析软件,设计PGC水凝胶电子皮肤作为关节损伤患者肌力训练的关节康复系统,动态模拟肌力变化,反馈健康状态,实现人机交互(前端数据采集—后端分析处理)。这种多功能仿生电子皮肤将对柔性传感、康复医学、人机交互、机器人、VR/AR和元宇宙的未来产生重大影响。


图1. PGC水凝胶的仿生原理以及制备流程


图2. PGC水凝胶的性能表征


图3. PGC水凝胶的导电以及紫外过滤性能


图4. PGC水凝胶的抑菌性能


图5. PGC水凝胶应用于人体运动检测


图6. PGC水凝胶应用于水下加密通信


图7. PGC水凝胶应用于指关节康复训练


该工作以“Skin-inspired ultra-tough supramolecular multifunctional hydrogel electronic skin for human-machine interaction”为题发表在国际知名期刊《Nano-Micro Letters》(影响因子23.655,文章DOI: 10.1007/s40820-023-01084-8)上。文章第一作者是东北大学医工学院硕士研究生陈坤,通讯作者为东北大学医工学院田野副教授,东北大学医学与生物信息工程学院为第一/唯一通讯单位。


原文链接:https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-023-01084-8


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