近年来，可穿戴应变传感器作为一种将应变转换为电信号的电子器件，在人体运动监测、健康管理和人机交互等领域得到广泛关注。有机水凝胶纤维不仅具有传统水凝胶柔软、高弹、生物相容性好的优点，同时具有在极端环境下稳定运行的特点，在可穿戴应变传感器领域展现出了一定的应用前景。然而，因有机水凝胶中离子均匀分布的特点，在小形变和低温下具有不理想的传感检测性能，这极大地阻碍了其在实际中的应用。
图1有机水凝胶纤维制备工艺示意图、纤维成品展示
针对以上问题，近日，东华大学材料科学与工程学院、纤维材料改性国家重点实验室廖耀祖/吕伟课题组在国际知名期刊Materials Horizons发表题为“Competitive proton-trapping strategy enhanced anti-freezing organohydrogel fibers for high-strain-sensitivity wearable sensors”的研究论文(DOI: 10.1039/D3MH00459G)。该研究设计了一种竞争性质子捕获策略，通过简单的一步冻融过程，采用苯胺四聚体（TANI，一类具有聚苯胺最短活性结构单元且溶液可加工的刚性低聚物）作为竞争性的质子捕获剂，与柔性聚乙烯醇（PVA）物理交联，构筑了一类新型高性能可穿戴应变传感器的防冻有机水凝胶纤维（PTOH）。得益于不均匀分布的电荷载流子、增加了的质子传递活化能和易断裂的质子迁移路径，所制备的PTOH纤维在-40℃下表现出优异的传感性能，在200-300%的应变下应变系数高达24.6。此外，TANI和PVA链之间氢键的存在赋予了PTOH高的拉伸强度（1.96 MPa）和韧性（8.0 MJ m-3）。因此，由PTOH纤维和针织纺织品制成的应变传感器可以快速灵敏地监测人体运动，证明了其作为可穿戴防冻各向异性应变传感器的潜力。
研究人员通过对含不同TANI浓度的有机水凝胶纤维进行电导率测试与传感性能测试，发现电导率随TANI含量的增加而下降，说明TANI起到了捕获质子作用。在室温下可以看到PTOH水凝胶纤维具有优异的传感性能，应变从2%到300%电阻信号呈线性变化，且具有快速响应性和耐用性。
对其进行-40oC超低温下性能测试可看到PTOH纤维不仅具有良好的机械性能和离子导电性，其传感性能更为突出。其原因是零度以下温度范围内质子迁移的活化能小于0.4 eV，是典型的Grotthuss机制，质子通过H…O, N…H氢键以及H-O和N-H共价键的键振动进行跳跃传递。在拉伸过程中，由于TANI刚性链和PVA柔性链的差异，TANI、EG和PVA之间动态氢键（作为质子迁移的通道）易断裂，因此导致低温下的应变系数增加。
对PTOH纤维进行人体运动实时监测，如手指、手腕和脉搏等。均可观察到明显且稳定的电阻变化，甚至是-40 oC下。并且不同方向输出信号的显著差异表明了纤维在检测各个方向应变方面的独特能力。将纤维编织成纺织品后，所制备的应变传感器也可对脉冲跳动进行监测。
廖耀祖和吕伟为该论文共同通讯作者，材料科学与工程学院2021级硕士生陈竹君和2021级博士生刘贺为论文的共同第一作者。上述研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、上海市学术带头人计划、上海市曙光计划、上海市自然科学基金以及腾飞科技股份有限公司的经费支持。
原位链接：
https://doi.org/10.1039/D3MH00459G
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