研究背景

由柔软和可拉伸材料制成的应变传感器对于电子皮肤和软体机器人来说是必不可少的。为了促进交互顺应性和精确监测，下一代应变传感器有望在非结构化环境中提供高拉伸性、快速响应和出色的可重复性。基于各种类型的软性功能材料，人们已经做出了许多努力来开发具有导电纳米材料、水凝胶和液态金属的各种应变传感器的原型设计。其中，导电聚合物水凝胶可以提供离子和电子传导性，因此迅速成为有希望的候选材料，具有内在的可伸展性、稳定的导电性、生物相容性和机械坚固性等几个具体的优点。最近的研究报道了设计软性导电聚合物水凝胶应变传感器，以实现物理应变下的敏感电反应。

例如，Roh等人通过将聚(3,4亚乙基=氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸) (PEDOT:PSS)与聚氨酯(PU) 基于溶液的混合，然后涂覆碳纳米管，开发了一种应变传感器，以检测人类的面部表情。然而，由于刚性导电聚合物的固有局限性，他们报告的设备通常具有较低的拉伸性。尽管最近在提高弹性基质的拉伸性方面取得了进展，但由于粘弹性弹性体在循环拉伸下的不可逆能量耗散，高度可拉伸的导电聚合物水凝胶应变传感器仍存在高滞后现象。此外，目前的应变传感器在无约束条件下操作时，一般容易受到非轴向变形的干扰，如扭曲和挤压。这些限制极大地阻碍了它们在具有大变形范围和多功能的软机器人系统中的实际应用。因此，开发机械坚固的导电聚合物水凝胶应变传感器，可 以解决高伸展性和超低滞后之间的权衡问题还没有实现。

研究成果

高度可拉伸的导电聚合物水凝胶应变传感器正在迅速崛起，成为多样化的可穿戴皮肤和软体机器的传感设备的一个有前途的候选者。然而，由于低伸展性和大滞后的内在限制，现有的应变传感器在用于可穿戴或机器人系统时不能充分发挥其潜力。在此，江西科技师范大学Baoyang Lu&上海交通大学Guoying Gu教授提出了一种PEDOT:PSSPVA导电聚合物水凝胶应变传感器，同时表现出极限应变(300%) 和可忽略的滞后(<1.5%)。这是通过将聚(3,4-亚乙基二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS) 纳米纤维与聚(乙烯醇) (PVA) 的独特微相半分离网络设计以及结合3D打印和连续冻融的简易制造实现的。系统地描述了该应变传感器的整体优越性能，包括拉伸性、线性、循环稳定性和对机械扭曲和压力的稳健性。进一步展示了这种应变传感器与电子皮肤的集成和应用，以测量各种生理信号,识别手势,实现软抓手的异议识别，以及工业机器人的远程控制。这项工作可以提供具有增强传感功能的导电聚合物水凝胶和技术平台，以实现可拉伸电子皮肤和智能机器人系统。相关研究以“High-stretchability, ultralow-hysteresis conducting polymer hydrogel strain sensors for soft machines”为题发表在Advanced Materials期刊上。

研究亮点

1. 提出了一种基于导电聚合物水凝胶的高度可拉伸和无滞后的应变传感器，用于可穿戴皮肤和软体机器人。2. 通过将PEDOT:PSS纳米纤维与聚(乙烯醇)(PVA)结合起来，开发了一种简单的一步合成方法，创造了一种独特的微相半分离的导电聚合物水凝胶网络。3. PEDOT:PSS-PVA水凝胶应变传感器可以同时表现出高拉伸性(300%)和超低滞后(<1 5%)，及一系列其他的优越性能，包括高线性度、机械循环稳定性和内在的稳健性，以抵抗非轴向变形，如扭转和压力。

图文导读

Figure 1. PEDOT:PSS-PVA hydrogel strain sensor.

Figure 2. Sensing properties of the PEDOT:PSS-PVA hydrogel strain sensor.

Figure 3. Wearable electronic skins for physiological monitoring and gesture recognition.

Figure 4. Robotic skins enabling sensing functionality and remote control.

总结与展望

在这项研究中，作者介绍了PEDOT:PSS-PVA水凝胶应变传感器的设计、制造和应用。进一步比较了该应变传感器和其他以前报道的基于PEDOT-PVA的应变传感器。结果表明，我们的传感器具有高伸展性、超低滞后性、循环稳定性和对机械扭曲和压力的稳健性等优异性能。这是通过将PEDOT:PSS纳米纤维与PVA合成的独特的微相半分离网络设计，以及结合3D打印和连续冻融的简易制造而实现的。还展示了它们作为可穿戴电子皮肤的集成和应用，用于人机互动和软机器的感知反馈。除了单轴拉伸，不同方向的应变传感器的均匀传感特性也需要进一步探索。此外，软应变传感器的温度依赖行为对于长期应用非常重要。由于其材料的非线性和时间依赖的粘弹性行为，这往往是一个挑战，未来将对其进行研究。目前的研究不仅解决了开发基于高性能导电聚合物水凝胶的应变传感器的关键挑战，而且还为下一代智能机器人系统提供了一条有前途的路线。

文献链接

High-stretchability, ultralow-hysteresis conducting polymer hydrogel strain sensors for soft machines, https://doi.org/10.1002/adma.202203650