水凝胶作为柔性电气设备最有前景的候选者之一，具有皮肤般的柔韧性、可调节的机械强度和导电性能。通常，在复合材料体系中加入一些导电纳米填料以达到优异的导电性，而这种导电网络在超变形下会断裂，导致柔性电子设备失效。离子导电水凝胶在柔性电子器件中是一种有前景的候选者，离子导电网络的存在有效地解决了大变形下的信号传输问题，具有传感器的潜力。然而，弱机械强度、导电性和环境不稳定性的内在特性仍然是一项具有挑战性的任务。
近日，福建理工大学朱文东、彭响方和清源创新实验室、福州大学化工学院成雅等人在Chemical engineering journal上发表文章，提出了构建自组装3D多糖网络策略，来调节导电PVA水凝胶的力学性能，克服了传统甘油溶剂体系水凝胶的脆化和导电性差的特点。同时实现了出色的防冻、保水和导电性能传感性能，并在人机交互方面展现了广阔的应用前景。
作者首先利用一步冻融法制备了PVA/ADSP水凝胶。SEM、FTIR、XPS证实了3D自组装多糖网络的形成（图1）。
图1：（a）PVA/ADSP水凝胶的制备过程和（i-iv）内部相互作用。（b）SEM图像、（c）FTIR光谱、（d）XPS全谱和（e）多糖（ADSP-PA）网络的XPS O 1s精细光谱。
作者对所制备的PVA/ADSP水凝胶的机械强度进行了探究（图2a和b）。PVA/ADSP水凝胶（直径4.5 mm）可以很容易地拉伸到原始状态的七倍，并提起约1000 g的不锈钢釜壳，同时，PVA/ADSP水凝胶可以扭曲、挤压和拉伸，显示出优异的机械强度、柔韧性和抗压性。
图2：（a）PVA/ADSP水凝胶的光学图像显示出优异的机械强度。（b）不同ADSP含量的PVA/ADSP水凝胶的应力-应变曲线、（c）应力、弹性模量、（d）应变和韧性。（e） 不同PA含量的PVA/ADSP的应力-应变曲线、（f）应力、弹性模量、（g）应变和韧性。
通过加载-卸载拉伸测量，作者研究了PVA/ADSP水凝胶的能量耗散机制和弹性行为。
图3：（a）能量耗散机制。（b）加载-卸载拉伸曲线和（c）相应的耗散能，（d）PVA/ADSP水凝胶的多次加载-卸载张力循环。（e）PVA/ADSP水凝胶的加载-卸载压缩曲线和（f）相应的耗散能，（g）多次加载-卸载的压缩循环。
由于自由移动离子的存在，PVA/ADSP水凝胶具有很高的导电性，并在一系列变形和频繁区域显示出灵敏度、稳定性和准确性。
图4：（a）PVA/ADSP水凝胶应变响应率的光学图像。（b）不同ADSP浓度下PVA/ADSP水凝胶的电导率。（c）PVA/ADSP水凝胶的灵敏度和（d）响应率。PVA/ADSP水凝胶在不同（e，f）应变和（g）频率下的拉伸传感曲线。PVA/ADSP水凝胶在不同（h）应变和（i）频率下的压阻传感性能。
基于其出色的传感性能，PVA/ADSP水凝胶可用于检测人体的各种生理活动包括关节、肘部、膝盖、手腕、手指和喉咙运动的传感性能、手写压阻式传感和心电图检测。
图5: PVA/ADSP水凝胶对（a）关节、（b）肘部、（c）膝盖、（d）手腕、（e）手指和（f）喉咙运动的传感性能。（g）手写压阻式传感。（h）心电图检测。
作者对PVA/ADSP水凝胶传感器在人机交互控制仿生机器人手的应用中进行了研究。构建了人机交互平台，通过信号处理方法实现机器人手的各种操作。
图6: PVA/ADSP水凝胶的人机交互。（a）人机交互平台。（b）具有类似手势的人手和机械手的光学图像。（c）用人类手指模拟的机械手的光学图像和（d）PVA/ADSP水凝胶传感器的相应传感曲线。
Self-assembly polysaccharide network regulated hydrogel sensors with toughness, anti-freezing, conductivity and wide working conditions，https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154409
朱文东：博士毕业于吉林大学麦克德尔米德实验室，就职于福建理工大学材料科学与工程学院，硕导。主要从事智能纤维材料的设计和制备、柔性电子器件等方面的工作。相关成果发表论文16篇。主持和参与多项国家自然科学基金，省部级基金、企业横向等项目。
彭响方：福建理工大学材料科学与工程学院院长，教授，博导。长期致力于高分子材料成型加工方面的研究工作，先后入选 “教育部优秀青年教师支持计划”、“教育部高等学校骨干教师资助计划”、“教育部新世纪人才支持计划”和“福建省闽江学者（讲座教授）”等人才计划。
成雅：博士毕业于吉林大学麦克德尔米德实验室，就职于福州大学化工学院、清源创新实验室，专注于机电转换纤维、柔性电子器件等方面的研究。相关成果发表论文17篇。主持和参与多项国家自然科学基金，省部级基金、企业横向等项目。
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