柔性应变/压力传感器可以通过将外界刺激转化为电信号来模拟人体皮肤的感觉功能，能以非侵入性方式监测人体生理信息，在软体机器人、人机接口等领域应用前景广阔。导电水凝胶因具有良好的生物相容性、可调的机械性能、相对较高的导电性和较低的界面电阻等优点，因此其成为柔性传感器基底的理想选择，近些年引起人们广泛关注。虽然基于凝胶的柔性传感器已经取得了显著的进展，但在长期使用和极端条件下，其可靠性和稳定性仍面临巨大的挑战。
据麦姆斯咨询报道，近期，南开大学关英副教授、天津工业大学张拥军教授等研究人员制备了一种综合性能优异的新型肽交联共晶凝胶。通过在深共晶溶剂（DES）中引入α-螺旋“分子弹簧”结构，使其具有高韧性、高拉伸性、高回弹性、高粘性以及优异的抗疲劳、抗干燥和防冻性能，在机器人远程监测和智能电子皮肤等方面具有广阔的应用前景。相关研究成果已发表于Nature Communications期刊。
肽交联共晶凝胶的结构和性能示意图
在该项工作中，研究人员采用肽交联剂作为交联剂，以深共晶溶剂代替水作为溶剂，制备了可满足高性能柔性应变/压力传感器所需的导电凝胶。深共晶溶剂是新一代绿色溶剂，本身具有良好的导电性，基于其制备的共晶凝胶不需添加其他物质即可以导电，且具有良好的防冻和抗干燥性能。通过在深共晶溶剂中引入α-螺旋“分子弹簧”结构，合成的肽交联共晶凝胶机械性能显著提升，同时又保证了高弹性。此外，该凝胶还表现出良好的粘附性能，可以粘附在各种材质表面。
肽交联共晶凝胶的拉伸力学性能
肽交联共晶凝胶的压缩力学性能
肽交联共晶凝胶的粘合性能
肽交联共晶凝胶的防冻和抗干燥性能
这些优异的特性使该共晶凝胶非常适用于可穿戴、灵活的应变/压力传感器，不需要胶带或绷带，就能自行附着在人体上，不仅可以监测手指、手腕、膝盖弯曲等较大的肢体运动，还可以对说话等微妙的肌肉运动实现高灵敏监测。
更重要的是，当用于应变/压力传感器时，该凝胶能够提供前所未有的稳定性和可重复性信号。在- 20°C到80°C的温度范围内，或者经过29小时10000次形变之后，其电信号几乎没有任何漂移，验证了其在极端环境下的应用前景。
人体运动监测实验
机器手指测试实验
为了进一步验证该共晶凝胶的实际应用潜力，研究人员设计了一个避障场景。当安装该凝胶传感器的移动机器人手指接触人类手指时，机器人手指会感知到障碍物并迅速抬起以避开障碍物，从而避免进一步碰撞。验证了基于该共晶凝胶的传感器在机器人远程监测和智能电子皮肤方面具有广阔的应用前景。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-34522-z
延伸阅读：
《可穿戴传感器技术及市场-2022版》
《Merit Sensor压力传感器及MEMS芯片分析》
《印刷和柔性传感器技术及市场-2021版》
