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江西科技師范大學盧寶陽/南科大劉吉 AFM：用于水下機器人的抗疲勞導電聚合物水凝膠應變傳感器

2023-07-15 來源：高分子科技

近年來，高靈敏度柔性應變傳感器因其在軟體機器人、醫療保健、智能可穿戴設備等領域的巨大前景而引起了極大的關注。然而，現有柔性應變傳感器通常受限于運作環境，例如含水環境（出汗、水下操作等）會削弱傳感系統的靈敏度和可靠性，甚至引發器件功能故障。導電聚合物水凝膠具有獨特的柔軟性、優良的應變傳感性能和機械魯棒性有望成為新一代應變傳感器的核心元件。然而，當前導電聚合物水凝膠的力學性能，尤其是在長期應變下的抗疲勞性能（疲勞閾值低于100 J m^-2）仍難以滿足多循環機械載荷應用中的需求。因此，開發具有優異抗疲勞性能的導電聚合物水凝膠，有望解決當前水下應變傳感系統目前面臨的關鍵挑戰。

近日，江西科技師范大學盧寶陽教授團隊與南方科技大學劉吉教授團隊合作在《Advanced Functional Materials》上發表文章《Fatigue-resistant Conducting Polymer Hydrogels as Strain Sensor for Underwater Robotics》，報道了一種簡單而通用的策略來設計與制造具有優異抗疲勞性能的導電聚合物水凝膠。所開發的導電聚合物水凝膠在1%-300%的應變下具有非常優異的應變-傳感性能，可以用于水下機器人運動的實時監測。

圖1. DFS PEDOT:PSS-PVA抗疲勞導電聚合物水凝膠設計原理。

該團隊選用聚乙烯醇（PVA）和商業化導電聚合物PEDOT:PSS作為制備導電聚合物水凝膠的材料，通過定向冷凍輔助鹽析策略（DFS）制備有序排列的各向異性抗疲勞PEDOT:PSS-PVA導電聚合物水凝膠（圖1）。將聚合物組分轉移到特制的模具中進行單向定向冷凍處理，使聚合物組分形成有序排列的各向異性結構，然而低結晶度導致單向定向冷凍水凝膠力學性能較差。進一步將PEDOT:PSS-PVA水凝膠浸入到檸檬酸鈉溶液中，利用霍夫邁斯特效應誘導PVA網絡的相分離和結晶，從而使水凝膠增韌。由于其獨特的有序納米纖維結構和高結晶度，DFS PEDOT:PSS-PVA導電聚合物水凝膠能夠承受各種形式的機械變形和負載（超過自身重量10,000倍），并且在平行取向上的疲勞閾值能夠達到300 J m^-2以上（圖2）。在30,000次連續循環拉伸過程中，裂紋依然沒有拓展，表現出優異的抗疲勞特性。

圖2. DFS PEDOT:PSS-PVA導電聚合物水凝膠的各向異性抗疲勞性能。

DFS PEDOT:PSS-PVA水凝膠制備的應變傳感器在微小變形(1%-10%)和大變形(10%-300%)內均表現出明顯的電阻變化；同時，在0%-300%應變范圍內逐步加載和卸載過程中的響應時間為130 ms，無明顯遲滯現象。DFS PEDOT:PSS-PVA水凝膠應變傳感器的靈敏度（GF）在0%-150%應變范圍內為0.6、150%-250%應變范圍為1.29、250%-300應變范圍為3.93。10,000圈應變傳感測試中，DFS PEDOT:PSS-PVA水凝膠應變傳感器依舊維持穩定，顯著優于前期已報道的各類水凝膠應變傳感器（圖3）。

圖3. DFS PEDOT:PSS-PVA導電聚合物水凝膠的應變-傳感性能。

該團隊進一步將DFS PEDOT:PSS-PVA水凝膠應變傳感器集成到水下機器魚側部作為關鍵承載元件和運動監測傳感器（圖4），在機器魚游泳過程中，水凝膠經歷周期性的拉伸和收縮（能量釋放率為168 J m^-2），在游泳16小時后，超過100,000次循環后沒有檢測到任何裂紋擴展，證實了水凝膠作為水下應變傳感器的長期可靠性。機器魚兩側的PEDOT:PSS-PVA水凝膠可以作為獨立的傳感單元對機器人運動過程進行實時監測并對機器人的運動模式進行識別。

圖4. DFS PEDOT:PSS-PVA導電聚合物水凝膠作為水下機器人的承重部件和傳感器功能演示。

江西科技師范大學碩士生張志琳、南方科技大學碩士生陳廣大、博士生薛羽為論文共同第一作者，劉吉副教授和盧寶陽教授為通訊作者。該研究得到國家自然科學基金、江西省柔性電子重點實驗室、深圳市科技創新委員會和廣東省基礎研究和應用基礎研究等基金項目的資助。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202305705

招聘信息

江西科技師范大學盧寶陽團隊招聘事業編科研崗博士年輕教師，有意者請將個人簡歷（pdf）等相關材料發送至luby@jxstnu.edu.cn郵件標題請注明“姓名+畢業學校”，期待您的加盟！

盧寶陽教授簡介：山東大學博士、麻省理工學院博士后、上海交通大學訪問學者。主要致力于導電聚合物新材料研發、先進加工制造技術、器件集成及應用等研究。“江西青年五四獎章”獲得者，入選省“雙千計劃”科技創新高端人才項目、省主要學科學術與技術帶頭人培養計劃、省杰出青年人才資助計劃、省“百人遠航工程”。獲省自然科學一等獎1項、省高校科技成果一等獎2項。以第一、共一或通訊作者在Nature Materials、Nature Reviews Materials、Nature Communications、Advanced Materials等發表SCI收錄論文80余篇；申請美國、中國發明專利30余項，授權發明專利20余項。課題組更多信息請看：https://www.x-mol.com/groups/lu_baoyang

劉吉副教授及團隊簡介：劉吉博士于2019年9月加入南方科技大學獨立建組，任博士生導師。主要研究領域為軟材料的極限性能設計、仿生軟材料、界面粘合、軟材料3D打印以及功能軟材料在組織工程上的應用等。近年來，在Science Advances，Nature Communications，PNAS，Advanced Materials，Advanced Functional Materials等期刊上發表文章50余篇。先后獲得國家級青年人才項目(2020)、《麻省理工科技評論》中國區 “35歲以下科技創新35人” (2020)、珠江人才引進高層次人才青年項目(2020)、深圳市海外高層次人才(2020)、日本高分子協會青年學者獎(2017)、瑪麗居里學者(2015)等榮譽。課題組更多信息請看：http://faculty.sustech.edu.cn/liuj9/

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（責任編輯：xu）

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