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湖南大學段輝高團隊 AFM：剪紙結構水凝膠應變傳感器賦能人機交互應用和摩斯密碼識別

2023-09-19 來源：高分子科技

導電水凝膠是開發柔性可拉伸傳感器件的理想材料，然而它們的關鍵特性，如高靈敏度、優異的拉伸性和環境穩定性，難以同時實現，限制了其廣泛應用。近日，湖南大學段輝高教授團隊提出了一種由Kirigami剪紙結構啟發的工程策略，顯著提高有機水凝膠應變傳感器的應變靈敏度，并實現了水下人機交互系統應用和可穿戴摩斯密碼的人工智能識別。成果以“Kirigami-Inspired 3D-printable MXene Organohydrogels for Soft Electronics”為題發表在國際材料與器件領域著名學術期刊Advanced Functional Materials (IF 19.0)上，該論文的第一作者是湖南大學機械與運載工程學院的卓鳳玲，通訊作者為湖南大學機械運載工程學院段輝高教授和周劍副教授。

該論文通過將海藻酸鈉納米纖維和導電MXene納米片引入由甘油-水二元溶劑滲透的聚合物雙網絡中，制備了具有多重互穿網絡結構的有機水凝膠，其具有優異的拉伸性（>5000%）、良好的靈敏度和保水性能（>30天）。為進一步增強傳感靈敏度，通過3D打印技術設計和制備了Kirigami剪紙結構的水凝膠，并結合有限元分析方法對其在拉伸過程中的力學行為和應變傳感機理進行了深入系統研究。基于微觀尺度上MXene納米片的相對滑移效應和宏觀尺度上Kirigami剪紙結構增強策略，該水凝膠傳感器的應變靈敏度高達29.1，同時兼具快速的響應特性和良好的循環耐久性。基于該傳感器，開發了一種智能手套，與工業機械臂集成以抓取水下物體，展示了先進的水下人機交互應用能力。同時，通過集成機器學習算法，開發了可穿戴的摩斯密碼識別與翻譯系統，對于字母、數字和句子的摩斯密碼信號識別，具有高準確率（>99%）和快速的識別時間(~0.17 ms)。該研究為開發具有高靈敏度、可拉伸和環境穩定性的有機水凝膠傳感器提供了一種新思路。