可穿戴式人機交互（HMI）是一種先進的技術，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信息交互，被廣泛應用于智慧醫(yī)療、人工智能等領域。作為可穿戴HMI電子產品的核心部件，柔性傳感器需要智能、準確、協(xié)作和多功能的反饋控制。在這，多功能 MXene/聚丙烯酸 (PAA) 水凝膠是通過自由基聚合制備的。作為一種柔性應變傳感器，它具有高靈敏度（應變系數(shù)≈4.94）、寬檢測范圍（0-1081%）和500個循環(huán)的穩(wěn)定信號輸出。它還可以實時監(jiān)控人體運動和操作機械手，在可穿戴人工智能和HMI方面展現(xiàn)出巨大潛力。此外，MXene/PAA 水凝膠在近紅外輻射下表現(xiàn)出光熱轉換性能和可控的表面溫度調節(jié)能力（RT≈67℃）。這項工作通過將柔性傳感器與個人熱管理系統(tǒng)集成，為開發(fā)協(xié)作式多功能可穿戴 HMI 電子產品提供了新思路。
Figure 1. MXene/PAA 水凝膠的設計和表征。 a) 合成路線示意圖和 b) MXene/PAA 水凝膠的 SEM 圖像。 c) XRD 圖和 d) MXene 納米片、PAA 水凝膠和 MXene/PAA 水凝膠的 FT-IR 光譜。
Figure 2. 水凝膠的性能研究。不同狀態(tài)下柔性 MXene/PAA 水凝膠的照片。原始狀態(tài)、扭曲狀態(tài)、壓縮狀態(tài)和拉伸狀態(tài) a)、打結后拉伸 b)、承受剪刀的銳利壓力 c)、舉起 200 克重物 d)、可塑性 e)。具有不同MXene質量比的MXene/PAA水凝膠的應力-應變曲線f)和電導率g)。 h) 不同 MXene/PAA 水凝膠狀態(tài)（即原始、切割和愈合）下 LED 亮度變化的照片以及相應的電路圖示意圖。 i) MXene/PAA水凝膠自修復前后的電流變化曲線。
Figure 3. MXene/PAA 水凝膠的性能分析。 a) 照片說明了對不同表面的粘附性。 b) 對各種基材的粘合強度。 c) 用 TCP 和 MXene/PAA 水凝膠培養(yǎng)的細胞的細胞活力。 d) 頸部和手指接觸 MXene/PAA 水凝膠 60 分鐘前后的紅外熱圖像。
Figure 4. MXene/PAA 水凝膠的光熱轉換性能。 a) PAA 水凝膠和 MXene/PAA 水凝膠的紫外-可見-近紅外光譜。 b）MXene/PAA水凝膠在不同功率密度的NIR照射下的溫度-時間曲線和NIR圖像。 c）MXene/PAA水凝膠的光熱轉化機制。 d) MXene/PAA 水凝膠在 300 mW cm
−2 下 5 個開/關循環(huán)的循環(huán)穩(wěn)定性。 e) 不同功率密度下的電流響應。 f) 手上水凝膠在照射前后的照片和紅外熱圖像。
Figure 5. MXene/PAA水凝膠的傳感性能。 a) MXene/PAA 水凝膠和 PAA水凝膠的相對電阻-拉伸應變曲線。 b) MXene/PAA 水凝膠與文獻中發(fā)表的其他水凝膠材料之間拉伸 GF 的比較。 c) 不同應變下的相對電阻變化（即 30%、60% 和 90%）。 (d) 應變?yōu)?30% 時，染色傳感器在 5000 秒內的相對電阻穩(wěn)定性。 MXene/PAA 水凝膠傳感器的應用。實時記錄眉毛e)、嘴巴f)、喉嚨g)、手指h)、肘部i)各種人體活動產生的相對電阻變化。
Figure 6. MXene/PAA 水凝膠在可穿戴 HMI 電子產品中的應用。 a) MXene/PAA 應變傳感器的電子電路在手指運動檢測中的應用。 b) 機械手即時控制過程示意圖。 c) MXene/PAA 水凝膠傳感器實時控制機械手的照片。 d) 可穿戴 HMI 電子設備的潛在應用示意圖。
相關研究工作由南京郵電大學Weiwei Zhao, Ning Liu and Qiang Zhao課題組于2023年聯(lián)合發(fā)表在《Adv. Mater. Technol》期刊上，原文： Stretchable and Photothermal MXene/PAA Hydrogel in Strain Sensor for Wearable Human-Machine Interaction Electronics。
轉自《石墨烯研究》公眾號
