日前，湖南大學團隊通過水凝膠導電網絡的結構設計，並利用 Kirigami 剪紙的結構策略，解決了當前水凝膠傳感器在集成高靈敏度、高拉伸性和環境穩定性上所面臨的挑戰。
（來源：Advanced Functional Materials）
對於水凝膠來說，為了實現良好的拉伸性，需要探索網絡結構和聚合物鏈之間的相互作用。要想獲得較高的靈敏度，可以引入金屬材料、碳基導電材料等。然而，高靈敏度和大拉伸性之間存在一定的矛盾。
此外，環境穩定性——是傳統水凝膠傳感器所欠缺的重要特性。在長時間工作或者極端環境下，傳統水凝膠傳感器存在失水或結冰問題，導致其會失去柔性、彈性和導電性。
儘管人們已經研發出具有抗凍、保濕性的有機水凝膠，但往往以犧牲靈敏度或拉伸性為代價。因此，在實現多性能集成上，還有很大的探索空間。
本次湖南大學團隊提出了構建新材料體系和剪紙結構的增強策略。需要指出的是，剪紙結構通常用來改善材料的機械性能比如拉伸性，很少有研究探索它對於電學特性的影響。
對於水凝膠材料來說，傳統的結構設計大多基於開孔結構，只能帶來有限的靈敏度提升。假如採用剪紙結構，利用缺口在器件變形過程中的分離，可以帶來電阻的顯著變化。
但是從製備方法來看，由於水凝膠粘彈性的存在，導致難以通過傳統方法來實現，比如使用剪刀裁剪和雷射切割等。
而本次研究結合 3D 列印技術，構建了可被 3D 列印的水凝膠體系，其具有良好的拉伸性、靈敏度和環境穩定性。
期間，研究人員通過引入剪紙結構，在不影響拉伸性和環境穩定性的基礎上，增強了應變靈敏度，解決了在多功能集成上面臨的挑戰。
審稿人一致認為該研究工作是有趣且具有創新性的。此次提出的剪紙啟發的 3D 列印導電有機水凝膠，表現出增強的應變靈敏度，同時可有效保持其固有的機械拉伸性和環境穩定性。
通過合理地設計水凝膠網絡結構，可以實現良好的拉伸性和環境穩定性。進一步地，研究人員通過引入剪紙結構，來增強傳感器的應變靈敏度。基於該傳感器，本次成果也實現了一些系統級應用，包括水下人機互動和可穿戴摩斯密碼的人工智慧識別。
據介紹，本次成果能將傳感器與雲平台集成，實現遠程康復訓練監測。隨著可穿戴物聯網的發展，該雲平台監測系統可以在傳統的臨床環境之外，通過持續監測來促進相關疾病（如睡眠呼吸暫停綜合症）的診斷、預防和管理。
同時，研究中所開發的智能手套，可被用於工業機械臂的水下交互控制。未來，對於在具有潛在危險的水域中抓取物體時，該智能手套將能發揮潛在的應用價值。
另外，本次研究搭建的可穿戴的摩斯密碼識別與翻譯系統，可以輔助具有言語障礙的殘疾人進行正常交流。
日前，相關論文以《Kirigami 啟發的用於軟電子的 3D 列印 MXene 有機水凝膠》（Kirigami‐Inspired 3D‐Printable MXene Organohydrogels for Soft Electronics）為題發在 Advanced Functional Materials[1]，湖南大學卓鳳玲是第一作者，湖南大學段輝高教授和周劍教授擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Advanced Functional Materials）
周劍表示：「期間，印象比較深刻的是我們團隊研究生之間的相互協作精神。本次課題是一個多學科交叉項目，有的學生善於材料與器件製備，有的擅長有限元仿真技術，有的偏於智能算法，還有的學生專長電路和控制。因此本次成果是在大家的共同配合之後，才做出了理想的器件和應用驗證。」
圖 | 周劍（來源：周劍）
不過，水凝膠的多重網絡結構體系仍有一定提升空間，後續他們將繼續深化理論研究，力爭設計出來新的材料。
對於剪紙結構電子學，則將進行更加系統的研究，繼續增強其科學性，同時也將探索其他超材料結構在傳感領域的應用。
此外，當前的傳感器應用僅限於實驗測試，在推進器件的實際應用中，尤其是在臨床應用場景，還需克服諸多技術挑戰，這也是未來他們打算進行解決的問題。
參考資料：
1.Zhuo, F., Zhou, J., Liu, Y., Xie, J., Chen, H., Wang, X., ... & Duan, H. (2023). Kirigami‐Inspired 3D‐Printable MXene Organohydrogels for Soft Electronics. Advanced Functional Materials, 2308487.