近年來,人工智能、大數(shù)據(jù)及擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展,正推動人機(jī)交互(HMI)向全域沉浸式場景演進(jìn)。水凝膠材料具有類生物組織特性、高生物相容性及刺激響應(yīng)性,成為柔性HMI界面的理想載體。傳統(tǒng)多功能水凝膠傳感器面臨兩大挑戰(zhàn):長期使用易因脫水失效,且功能化改造常以犧牲可回收性為代價(jià),加劇了電子廢棄物污染。因此,開發(fā)兼具高精度感知、環(huán)境穩(wěn)定性及全生命周期可循環(huán)的生態(tài)友好型水凝膠傳感器,對構(gòu)建碳中和目標(biāo)下的可持續(xù)HMI技術(shù)體系具有關(guān)鍵意義。
近日,鄭州大學(xué)申長雨院士、劉春太教授團(tuán)隊(duì)與北京航空航天大學(xué)潘曹峰教授合作,成功研制出一種基于仿生學(xué)設(shè)計(jì)的全回收型多功能聚乙烯醇(PVA)基可逆物理交聯(lián)智能水凝膠傳感器(RMSHS)。該研究受自然界"復(fù)蘇植物"極端環(huán)境適應(yīng)機(jī)制的啟發(fā),通過引入可逆分子間作用力和動態(tài)共價(jià)鍵,實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療康復(fù)與智能人機(jī)交互(HMI)領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。
如圖1所示,RMSHS展現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性能(對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑制率達(dá)99.8%)和生物相容性,可直接作為柔性電子皮膚應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練場景。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合無線傳輸技術(shù)和Python編程,基于RMSHS實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制。體系的可回收設(shè)計(jì)使失效的水凝膠可通過簡單步驟“復(fù)活”,可實(shí)現(xiàn)環(huán)保特性,可為智能穿戴設(shè)備領(lǐng)域提供可持續(xù)發(fā)展的范式。
圖1. 可回收多功能水凝膠傳感器的多場景人機(jī)交互應(yīng)用
圖2. 可回收多功能傳感器的抗菌、生物相容性表征及機(jī)理
如圖2所示,研究團(tuán)隊(duì)研究了RMSHS的雙重抗菌機(jī)制:基于氮摻雜碳量子點(diǎn)(N-CQDs)與季銨化殼聚糖(QCS)的靜電富集效應(yīng),構(gòu)建了"陽離子靶向-基因級聯(lián)破壞"協(xié)同抑菌體系;RMSHS對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的協(xié)同殺菌率均超過99.8%,其抗菌機(jī)制源于QCS的陽離子結(jié)構(gòu)與N-CQDs的基因破壞作用。體系可有效降低人體表皮細(xì)胞代謝產(chǎn)生的如汗液等廢物在傳感器處聚集導(dǎo)致的細(xì)菌滋生問題。此外,細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí),RMSHS對GES-1細(xì)胞無毒性,表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性。
圖3. RMSHS的可回收性能及機(jī)制
如圖3所示,失效的RMSHS可通過干燥后加水加熱再生的方式回收,實(shí)現(xiàn)類似苔蘚類植物那樣的“復(fù)活”效果。原位紅外光譜(VT-FTIR)和二維相關(guān)光譜(2Dcos)分析表明,加熱過程中氫鍵斷裂,硼酸酯鍵形成,體系實(shí)現(xiàn)了分子間作用力的動態(tài)平衡。文章闡釋了凝膠基傳感器在回收過程中分子間作用力變化以及動態(tài)的轉(zhuǎn)變順序。
圖4. 可回收多功能傳感器的應(yīng)變傳感機(jī)理及其人體運(yùn)動監(jiān)測中的應(yīng)用
如圖4,RMSHS具有低檢測限(1%應(yīng)變)、快速響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間(160/200 ms)和優(yōu)異的傳感穩(wěn)定性。其電阻變化與應(yīng)變呈線性關(guān)系,且不受拉伸速度影響。自修復(fù)后的RMSHS仍能保持穩(wěn)定的傳感性能,可用于運(yùn)動監(jiān)測(如羽毛球揮拍動作分析)。RMSHS與機(jī)器人結(jié)合構(gòu)建了智能康復(fù)系統(tǒng),可實(shí)時(shí)監(jiān)測患者手指彎曲角度,并通過Python算法識別不同手勢。體系可為醫(yī)生獲取遠(yuǎn)程訓(xùn)練數(shù)據(jù)并提供診斷建議,減輕醫(yī)療負(fù)擔(dān)(圖5)。
圖5. 基于可回收多功能傳感器的智能康復(fù)系統(tǒng)的應(yīng)用
圖6. 可回收多功能傳感器在遠(yuǎn)程操控中的應(yīng)用
得益于傳感器優(yōu)異的穩(wěn)定性,借助單通道多閾值設(shè)定,RMSHS基于三通道系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對三自由度無人機(jī)的控制。例如,食指彎曲控制無人機(jī)水平旋轉(zhuǎn),中指和無名指控制垂直升降。該系統(tǒng)可擴(kuò)展至其他遠(yuǎn)程控制平臺,為智慧城市建設(shè)提供支持(圖6)。
相關(guān)成果以“Eco-friendly Multifunctional Hydrogel Sensors Enabled Sustainable and Accurate Human-Machine Interaction System”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。鄭州大學(xué)為第一作者單位,碩士研究生趙彥龍為論文第一作者,鄭州大學(xué)翟威副教授、代坤教授和北京航空航天大學(xué)潘曹峰教授為共同通訊作者。
全文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202507127
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