近年来，随着物联网技术的飞速发展，柔性传感器被广泛应用于各个领域，如人体运动检测和健康检测等。因此，探索出一种制备简单、成本低、稳定性好的应变柔性传感器具有至关重要的意义。聚乙烯醇水凝胶有良好的加工特性和生物相容性，但缺乏足够的强度，限制其大规模的广泛使用。聚乙二醇(PEG)与聚乙烯醇具有良好的界面相容性， 将聚乙二醇接枝到纳米粒子表面可以用于增强聚乙烯醇水凝胶。除此之外，大多数离子型水凝胶在低温下不可避免地冻结进而失去导电性，采用二甲基亚砜和水的相互作用来实现聚乙烯醇水凝胶的低蒸发性和抗冻性。在低温下，聚乙烯醇抗冻凝胶具有良好的柔韧性可以弯曲或者折叠，可将外部刺激如形变、压力等转换为稳定的电信号输出。

近日，实验室提出了利用聚乙二醇接枝甲壳素纳米晶(ChNCs)增强抗冻聚乙烯醇(PVA)有机水凝胶应用于应变传感器监测人体活动。该工作发表于Composites Part A (中科院分区：一区，影响因子：7.664)，题目为“Polyethylene glycol grafted chitin nanocrystals enhanced, stretchable, freezing-tolerant ionic conductive organohydrogel for strain sensors ”。论文第一作者为2019级研究生蔡佳兵，刘明贤老师为论文唯一通讯作者。

图1.基于抗冻PVA有机水凝胶柔性传感器的示意图以及应用领域

改性甲壳素纳米晶增强聚乙烯醇有机水凝胶的基本性能：甲壳素纳米晶(ChNCs)是一种结构性能独特的来自可再生海洋资源的新型纳米材料。其长径比大，模量高，表面存在较多活泼基团能够方便地进行化学修饰，因此是一种理想的轻质高强、亲水稳定、无毒无害、分散透明的聚合物纳米增强材料。研究发现，当PEG-g-ChNCs添加量达到3%，拉伸强度，弹性模量，断裂应变和韧性都随之提高，达到了良好的增强效果。这种复合有机水凝胶的耐压、耐拉和耐刺穿等机械性能都非常优异，是一种高性能的抗冻水凝胶。提升的力学性能归因于ChNCs良好的增强效果和复合材料的界面相容性。

图2. 改性甲壳素纳米晶增强有机水凝胶的力学性能

增强有机水凝胶的抗冻性。研究发现，有机水凝胶在零下-50°仍能保持良好的柔韧性，如图3，通过浸泡盐离子，赋予了凝胶的导电性。这种导电有机水凝胶在-20°也能保持led灯的不灭，导电率达到0.01 S/m，同时随着有机水凝胶不同程度的拉伸led灯会随之变化。

图3. PVA有机水凝胶的抗冻性

有机水凝胶传感器的响应能力在25%到150%的应变下传感器均能保证良好的信号输出。在600次动态拉伸-收缩循环后，传感器仍能够稳定地输出电信号响应。传感器的电阻变化与应变近似呈现出线性函数的关系(图4)，GF(gauge factor)与应变成正比，与GF的计算公式(GF=(∆R/R₀)/ε)保持一致。表明该传感器具有快速响应能力，可应用于实际应变检测。

图4. 基于有机水凝胶传感器的响应变化

有机水凝胶传感器出色的力学性能和结构稳定性。本工作制备的有机水凝胶可以用于监测如人体的日常关节运动(点头、行走、手指弯曲、手腕弯曲、肘部弯曲等)(图5)。这些运动与电阻信号输出具有对应性，能够反映身体的运动变化。

图5. 基于PVA有机水凝胶传感器检测人体运动

总之，本工作成功地将聚乙二醇接枝到甲壳素纳米晶的表面，采用一次冻融方法制备了增强PVA有机水凝胶用于应变传感器。传感器的出色稳定性使其可用于检测各种类型的人体运动，如行走和肘部弯曲等大型人体运动。此外，二甲基亚砜和水的相互作用阻碍了冰晶的形成，从而使有机水凝胶在低温下具有良好的柔韧性和导电性。本工作开发基于有机水凝胶的传感器具有稳定性好、价格低、灵敏度高的优点，这为人类可穿戴设备提供了一个新选择。用于制备传感器的甲壳素纳米晶和PVA原料便宜且容易获得，这为柔性可穿戴设备的工业化提供了光明的前景。

论文网页链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359835X22000100