Adv. Funct. Mater.：用于水下机器人的抗疲劳导电聚合物水凝胶应变传感器

2023-08-01 03:08

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近年来，高灵敏度柔性应变传感器因其在软体机器人、医疗保健、智能可穿戴设备等领域的巨大前景而引起了极大的关注。然而，现有柔性应变传感器通常受限于运作环境，例如在富水环境（如：出汗，水下操作等）下会削弱传感系统的灵敏度和可靠性，甚至引发器件功能故障。导电聚合物水凝胶具有独特的柔软性、优良的应变传感性能和机械鲁棒性有望成为新一代应变传感器的核心元件。然而，当前导电聚合物水凝胶的力学性能，尤其是在长期应变下的抗疲劳性能（疲劳阈值低于100 J m^-2）仍难以满足多循环机械载荷应用中的需求。因此，开发具有优异抗疲劳性能的导电聚合物水凝胶，有望解决当前水下应变传感系统目前面临的关键挑战。

近日，江西科技师范大学卢宝阳教授团队与南方科技大学刘吉副教授团队合作在Advanced Functional Materials上发表文章“Fatigue-resistant Conducting Polymer Hydrogels as Strain Sensor for Underwater Robotics”，报道了一种简单而通用的策略来设计与制造具有优异抗疲劳性能的导电聚合物水凝胶。所开发的导电聚合物水凝胶具有优异的抗疲劳性能，并且在1%-300%的应变下具有非常优异的应变-传感性能，因此可以作为水下机器人的关键承载元件，用于对运动的实时监测。

图1. 抗疲劳导电聚合物水凝胶设计原理及抗疲劳性能。

该团队选用医用聚合物聚乙烯醇（PVA）和商业化的导电聚合物PEDOT:PSS作为制备导电水凝胶的材料，通过定向冷冻辅助盐析的策略（DFS）制备有序排列的各向异性抗疲劳PEDOT:PSS-PVA导电聚合物水凝胶（图1）。由于其独特的有序纳米纤维结构和高结晶度，PEDOT:PSS-PVA导电聚合物水凝胶能够承受各种形式的机械变形和负载（超过自身重量的10,000倍），并且在平行取向上的疲劳阈值能够达到300 J m^-2以上（图1）。在30,000次连续循环拉伸过程中，裂纹依然没有拓展，表现出优异的抗疲劳特性。

该团队进一步将导电聚合物水凝胶应变传感器集成到水下机器鱼侧部，作为关键承载元件和运动监测传感器（图2）。在水下游泳过程中（视频1），导电聚合物水凝胶经历周期性的拉伸和收缩（能量释放率为168 J m^-2），在游泳长达16小时，超过100,000次循环后没有检测到任何裂纹扩展，证实了水凝胶作为水下应变传感器的长期可靠性。