湖南大学团队构建3D打印型水凝胶体系，赋能人机交互应用和摩斯密码识别

【蜂耘网  3D打印】日前，湖南大学团队通过水凝胶导电网络的结构设计，并利用 Kirigami 剪纸的结构策略，解决了当前水凝胶传感器在集成高灵敏度、高拉伸性和环境稳定性上所面临的挑战。

（来源：Advanced Functional Materials）

对于水凝胶来说，为了实现良好的拉伸性，需要探索网络结构和聚合物链之间的相互作用。要想获得较高的灵敏度，可以引入金属材料、碳基导电材料等。然而，高灵敏度和大拉伸性之间存在一定的矛盾。

此外，环境稳定性——是传统水凝胶传感器所欠缺的重要特性。在长时间工作或者极端环境下，传统水凝胶传感器存在失水或结冰问题，导致其会失去柔性、弹性和导电性。

尽管人们已经研发出具有抗冻、保湿性的有机水凝胶，但往往以牺牲灵敏度或拉伸性为代价。因此，在实现多性能集成上，还有很大的探索空间。

本次湖南大学团队提出了构建新材料体系和剪纸结构的增强策略。需要指出的是，剪纸结构通常用来改善材料的机械性能比如拉伸性，很少有研究探索它对于电学特性的影响。

对于水凝胶材料来说，传统的结构设计大多基于开孔结构，只能带来有限的灵敏度提升。假如采用剪纸结构，利用缺口在器件变形过程中的分离，可以带来电阻的显著变化。

但是从制备方法来看，由于水凝胶粘弹性的存在，导致难以通过传统方法来实现，比如使用剪刀裁剪和激光切割等。

而本次研究结合 3D 打印技术，构建了可被 3D 打印的水凝胶体系，其具有良好的拉伸性、灵敏度和环境稳定性。

期间，研究人员通过引入剪纸结构，在不影响拉伸性和环境稳定性的基础上，增强了应变灵敏度，解决了在多功能集成上面临的挑战。

审稿人一致认为该研究工作是有趣且具有创新性的。此次提出的剪纸启发的 3D 打印导电有机水凝胶，表现出增强的应变灵敏度，同时可有效保持其固有的机械拉伸性和环境稳定性。

通过合理地设计水凝胶网络结构，可以实现良好的拉伸性和环境稳定性。进一步地，研究人员通过引入剪纸结构，来增强传感器的应变灵敏度。基于该传感器，本次成果也实现了一些系统级应用，包括水下人机交互和可穿戴摩斯密码的人工智能识别。

据介绍，本次成果能将传感器与云平台集成，实现远程康复训练监测。随着可穿戴物联网的发展，该云平台监测系统可以在传统的临床环境之外，通过持续监测来促进相关疾病（如睡眠呼吸暂停综合症）的诊断、预防和管理。

同时，研究中所开发的智能手套，可被用于工业机械臂的水下交互控制。未来，对于在具有潜在危险的水域中抓取物体时，该智能手套将能发挥潜在的应用价值。

另外，本次研究搭建的可穿戴的摩斯密码识别与翻译系统，可以辅助具有言语障碍的残疾人进行正常交流。

日前，相关论文以《Kirigami 启发的用于软电子的 3D 打印 MXene 有机水凝胶》（Kirigami‐Inspired 3D‐Printable MXene Organohydrogels for Soft Electronics）为题发在 Advanced Functional Materials[1]，湖南大学卓凤玲是第一作者，湖南大学段辉高教授和周剑教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）

周剑表示：“期间，印象比较深刻的是我们团队研究生之间的相互协作精神。本次课题是一个多学科交叉项目，有的学生善于材料与器件制备，有的擅长有限元仿真技术，有的偏于智能算法，还有的学生专长电路和控制。因此本次成果是在大家的共同配合之后，才做出了理想的器件和应用验证。”

图 | 周剑（来源：周剑）

不过，水凝胶的多重网络结构体系仍有一定提升空间，后续他们将继续深化理论研究，力争设计出来新的材料。

对于剪纸结构电子学，则将进行更加系统的研究，继续增强其科学性，同时也将探索其他超材料结构在传感领域的应用。

此外，当前的传感器应用仅限于实验测试，在推进器件的实际应用中，尤其是在临床应用场景，还需克服诸多技术挑战，这也是未来他们打算进行解决的问题。

（蜂耘3D打印网   责任编辑：娱悦）