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  導(dǎo)電水凝膠是開發(fā)柔性可拉伸傳感器件的理想材料，然而它們的關(guān)鍵特性，如高靈敏度、優(yōu)異的拉伸性和環(huán)境穩(wěn)定性，難以同時實現(xiàn)，限制了其廣泛應(yīng)用。近日，湖南大學(xué)段輝高教授團(tuán)隊提出了一種由Kirigami剪紙結(jié)構(gòu)啟發(fā)的工程策略，顯著提高有機水凝膠應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏度，并實現(xiàn)了水下人機交互系統(tǒng)應(yīng)用和可穿戴摩斯密碼的人工智能識別。成果以“Kirigami-Inspired 3D-printable MXene Organohydrogels for Soft Electronics”為題發(fā)表在國際材料與器件領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)期刊Advanced Functional Materials (IF 19.0)上，該論文的第一作者是湖南大學(xué)機械與運載工程學(xué)院的卓鳳玲，通訊作者為湖南大學(xué)機械運載工程學(xué)院段輝高教授和周劍副教授。

  該論文通過將海藻酸鈉納米纖維和導(dǎo)電MXene納米片引入由甘油-水二元溶劑滲透的聚合物雙網(wǎng)絡(luò)中，制備了具有多重互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有機水凝膠，其具有優(yōu)異的拉伸性（>5000%）、良好的靈敏度和保水性能（>30天）。為進(jìn)一步增強傳感靈敏度，通過3D打印技術(shù)設(shè)計和制備了Kirigami剪紙結(jié)構(gòu)的水凝膠，并結(jié)合有限元分析方法對其在拉伸過程中的力學(xué)行為和應(yīng)變傳感機理進(jìn)行了深入系統(tǒng)研究�；谖⒂^尺度上MXene納米片的相對滑移效應(yīng)和宏觀尺度上Kirigami剪紙結(jié)構(gòu)增強策略，該水凝膠傳感器的應(yīng)變靈敏度高達(dá)29.1，同時兼具快速的響應(yīng)特性和良好的循環(huán)耐久性。基于該傳感器，開發(fā)了一種智能手套，與工業(yè)機械臂集成以抓取水下物體，展示了先進(jìn)的水下人機交互應(yīng)用能力。同時，通過集成機器學(xué)習(xí)算法，開發(fā)了可穿戴的摩斯密碼識別與翻譯系統(tǒng)，對于字母、數(shù)字和句子的摩斯密碼信號識別，具有高準(zhǔn)確率（>99%）和快速的識別時間(~0.17 ms)。該研究為開發(fā)具有高靈敏度、可拉伸和環(huán)境穩(wěn)定性的有機水凝膠傳感器提供了一種新思路。

圖1 有機水凝膠的合成和Kirigami結(jié)構(gòu)的制備示意圖，以及傳感器性能

圖2 有機水凝膠傳感器的Kirigami剪紙結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 基于Kirigami剪紙結(jié)構(gòu)的有機水凝膠傳感器的關(guān)鍵傳感性能

圖4 水下人機交互應(yīng)用

  該工作獲得了國家自然科學(xué)基金（52075162）、湖湘青年英才（2023RC3099）、湖南省高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新引領(lǐng)計劃(2021GK4014)等項目的支持；同時得到了英國諾森比亞大學(xué)傅永慶教授，中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院謝建飛教授，浙江大學(xué)駱季奎教授、汪小知副教授的大力支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202308487