導電水凝膠是軟電子產品開發(fā)中引人注目的材料。然而，它們的基本屬性，如高靈敏度、優(yōu)異的拉伸性和環(huán)境穩(wěn)定性，很少在一種水凝膠中同時實現(xiàn)。在此，提出了一種受 Kirigami 啟發(fā)的策略來提高有機水凝膠的敏感性，而不犧牲其機械拉伸性和環(huán)境穩(wěn)定性。通過將海藻酸鈉納米纖絲和導電 MXene 納米片引入甘油-水混合物滲透的聚合物雙網絡中，合成了具有多個互穿網絡的有機水凝膠，具有顯著的拉伸性（> 5000％）、良好的靈敏度和保水性（> 30 天）。 Kirigami 結構進一步應用于增強應變靈敏度，實現(xiàn)了 29.1 的應變系數(shù)，約為非結構化有機水凝膠的 5.5 倍。利用受剪紙啟發(fā)的傳感器，開發(fā)了一種耐用的手套，通過操作機械臂來抓取水下物體，展示了水下交互式人機界面。同時，通過將可穿戴傳感器與機器學習算法相結合，開發(fā)了可穿戴莫爾斯電碼智能識別該系統(tǒng)已得到演示，能夠將莫爾斯電碼符號實時轉換為語音，具有卓越的識別精度（> 99％）和快速響應時間（約17毫秒）。這項工作提供了合成高靈敏度、可拉伸和極其耐受的有機水凝膠的新途徑，為下一代軟電子產品提供了一個有前景的平臺。
Fig 1. 有機水凝膠和剪紙啟發(fā)結構的制造示意圖，以及所制造設備的性能。 a) PASNM-Gly有機水凝膠的材料組成和合成。 b) 受剪紙啟發(fā)的 PASNM-Gly 有機水凝膠結構。 c) Kirigami結構的有機水凝膠的性能演示。
Fig 2. 材料的形貌和結構，以及水凝膠的性能測試。 a) 稀釋后組裝的 NaCl/SA 水溶液中 SA 納米纖絲的 TEM 圖像（C
SA = 0.97 wt%，C
NaCl = 1.75 wt%）。 b) Ti
3C
2T
X 納米薄片的 TEM 圖像。插圖是相應的 SAED 模式。 c) PASNM-Gly水凝膠的微觀結構。 d）光固化過程中PASNM-Gly水凝膠的拉曼光譜。 e）不同成分水凝膠的拉曼光譜。 f) P(AM-AMPS-Na)水凝膠的FTIR光譜。 g) 不同水凝膠系統(tǒng)的力學測試曲線。 h) 非結構化 PASNM-Gly 水凝膠的規(guī)格因子。 i) 含有和不含甘油的水凝膠中溶劑含量變化的比較。
Fig 3. 受剪紙啟發(fā)的有機水凝膠的結構設計。 a) 八種剪紙結構示意圖及其變形過程中的有限元分析。 b）具有不同Kirigami結構的水凝膠傳感器的性能。 c）由單元電阻構成的有機水凝膠（結構S1和S2）的等效電路。 d）剪紙結構S1、S2、S3和S4的理論電阻值和實驗結果。 e) 結構S5和S6的裂紋擴展示意圖。 f) Kirigami 結構 S1、S5、S6、S7 和 S8 的有限元分析和實驗結果。g) Kirigami結構的有機水凝膠拉伸前后的示意圖（上）和照片（下）。
Fig 4. Kirigami 結構水凝膠傳感器的應變傳感能力。 a) 相對電阻-應變曲線。 b) 應力-應變分布模擬結果。 c) 響應和恢復時間。 d) 應變?yōu)?150% 時機電響應與時間的關系。 e) 應變?yōu)?10%時不同頻率下的相對電阻變化。 f) 0.05 Hz 頻率下 5 次循環(huán)拉伸期間的相對電阻變化。 g) 1000次連續(xù)拉伸-釋放循環(huán)的機械耐久性測試。 h) 該工作 Kirigami 結構水凝膠傳感器與文獻中報道的傳感器的比較（在最大 GF、拉伸性和環(huán)境穩(wěn)定性方面）。
Fig 5. 運動控制應用。 a) 系統(tǒng)組成及原理圖。 b) 傳感器位置及相應運動控制示意圖。 c) (b) 中傳感器的電阻變化。 d) 機械臂抓取水下物體時的運動。 e) 控制機械臂的夾具抓取水下物體的序列圖像。
Fig 6. 可穿戴莫爾斯電碼識別和翻譯系統(tǒng)的應用。 a）基于水凝膠傳感器的莫爾斯電碼翻譯系統(tǒng)的潛在應用場景示意圖。 b) 摩爾斯電碼表，包括26個字母和10個數(shù)字。 c) BiLSTM模型的結構。d,e) 分別識別 10 個數(shù)字和 26 個字母的混淆圖。 f) 分別識別10個數(shù)字和26個字母的準確率曲線和損失曲線。 g) 穿戴式摩爾斯電碼智能翻譯系統(tǒng)演示，將“我需要幫助”的摩爾斯電碼信號轉換為語音，并實時顯示在應用界面上。
相關研究工作由湖南大學Huigao Duan課題組于2023年在線發(fā)表在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊上，原文：Kirigami-Inspired 3D-Printable MXene Organohydrogels for Soft Electronics。
https://doi.org/10.1002/adfm.202308487
轉自《石墨烯研究》公眾號
