人的生理活動,例如呼吸、運動、皮膚疾病等,都會引起相對濕度的變化。因此,相對濕度的監(jiān)測對人體健康的保障具有重大意義。本論文制備了一種水凝膠薄膜濕度傳感器,具有超高靈敏度、透明、柔性、可拉伸性和生物兼容性,在人體相關(guān)的顯示、傳感等領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢。在不同相對濕度的環(huán)境中,水凝膠內(nèi)部水分子含量發(fā)生變化,因此傳感器的離子電導率/電容也會發(fā)生改變。另外,我們提出了一種具有普適且可控的水凝膠薄膜化方法,可以增大水凝膠的比表面積,從而提高對水分子吸附和解吸附的效率,以增強其性能。把藍牙傳輸電路與該傳感器相結(jié)合,可以實現(xiàn)對人體呼吸的實時、無線監(jiān)測和呼吸暫停的報警。
本文亮點
1、提出了一種普適且可控的水凝膠薄膜化方法,可以極大提高水凝膠薄膜濕度傳感器的靈敏度(達13462.1%/%RH)。2、濕度傳感器具有良好的可拉伸性,并使?jié)穸葌鞲行阅軝C械可調(diào)。
3、基于該傳感器開發(fā)了一種具有藍牙傳輸功能的無線呼吸中斷檢測口罩,能夠?qū)崟r、無線、準確地獲取穿戴者的呼吸狀態(tài),如呼吸間隔、頻率、呼吸暫停等。
1. 水凝膠薄膜濕度傳感器概要
圖1. 可拉伸水凝膠薄膜濕度傳感器的制備過程、優(yōu)異性能及其在無線呼吸監(jiān)測中的實際可穿戴應用。
2. 水凝膠的保濕抗凍特性
圖2. 水凝膠的材料表征。
3. 明確濕度傳感機制,實現(xiàn)優(yōu)越濕度傳感性能的通用微型化方法
圖3. 濕度傳感器的在不同相對濕度環(huán)境下的復阻抗圖譜和其濕度傳感性能。
圖4. 不同厚度的聚丙烯酰胺-卡拉膠水凝膠薄膜的透明度和濕敏性能。
同時,在日常使用中,外界環(huán)境溫度的變化也可能影響濕度傳感器的正常工作。將傳感器放置在15、25、32和41℃進行濕度測試,可以看到溫度越高,傳感器對相同相對濕度的響應越大。這是因為高溫促進了水分子的運動,提高了水凝膠薄膜對水分子的吸附和解吸附效率。與對拉伸應變干擾的處理類似,可以在濕度傳感器外集成一個溫度傳感器進行校準。因此,水凝膠薄膜濕度傳感器可以適應多種環(huán)境條件,增加了其實際應用范圍與價值。
圖5. 濕度傳感器在0%-25%拉伸狀態(tài)和15-41℃環(huán)境下的濕度傳感性能
4. 水凝膠組分優(yōu)化以改進傳感器性能
圖6. 聚丙烯酰胺-木薯淀粉水凝膠薄膜濕度傳感器的傳感性能。
5. 用于呼吸監(jiān)測的水凝膠薄膜濕度傳感器的概念驗證演示
圖7. 水凝膠薄膜濕度傳感器集成在智能口罩中用于實時、無線監(jiān)測人體呼吸暫停
原文鏈接:
Humidity Sensing of Stretchable and Transparent Hydrogel Films for Wireless Respiration Monitoring
Yuning Liang, Qiongling Ding, Hao Wang, Zixuan Wu, Jianye Li, Zhenyi Li, Kai Tao, Xuchun Gui, and Jin Wu*
Nano-Micro Letters 14(2022).
https://doi.org/10.1007/s40820-022-00934-1
- 杭州電子科技大學劉超然 Matter:基于可拉伸水凝膠/氧化鋁的水蒸發(fā)誘導直流發(fā)電機 2025-06-18
- 東華大學王宏志教授、侯成義教授 Mater. Today:本征導電固液雙相液態(tài)金屬導體 - 助力多層可拉伸電子器件 2025-06-11
- 東南大學管英士教授課題組 ACS Nano:橡膠態(tài)可拉伸垂直結(jié)構(gòu)光電探測器 2025-05-11
- 西工大顏紅俠教授團隊 Small:利用超支化聚硼磷酸酯制備具有超高韌性和防火安全性的透明環(huán)氧樹脂 2025-05-04
- 中國科大江雷/趙創(chuàng)奇團隊 Macromolecules:具備均勻多重網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的高強韌且高透明水凝膠 2025-04-18
- 中國地質(zhì)大學(北京)聯(lián)合武漢大學 AFM:一種用于植物生長照明和光學溫度傳感雙功能的可回收發(fā)光透明木膜 2025-04-16
- 西南林大杜官本教授、楊龍研究員團隊 Nat. Commun.:碳化聚合物點誘導結(jié)晶域集成取向調(diào)控構(gòu)建強健和堅韌水凝膠 2025-07-07