图1 抗溶胀水凝胶应变传感器水下监测应用研究

兰州大学化学化工学院吕少瑜教授课题组主要围绕水凝胶以及多功能载体材料来展开研究。由于导电水凝胶固有的柔性、导电性和类生物组织性，逐渐成为制备柔性可穿戴设备的首选材料之一。然而，水凝胶在水环境中会不可避免地发生溶胀行为，这会极大地损害其力学和电学性能，进而影响其作为柔性可穿戴设备的传感性能。基于上述问题，我们制备了一种抗溶胀导电水凝胶。该水凝胶具有高韧性（518 kJ/m³）、高压缩模量（8.12 MPa）、高离子电导率（4.58 S/m）以及抗溶胀性能（水中30天平衡溶胀比为9%）。基于该抗溶胀水凝胶开发了一种水下应变传感器，研究了其在水下运动监测领域的潜在应用。

该水凝胶传感器由聚乙烯醇(PVA)、甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱(SBMA)和甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)的共聚物组成。柔性PHEMA链提供的氢键可提高水凝胶对外力的抵抗，同时增强了其适应外界盐度和酸度变化的能力。冷冻/解冻形成的PVA微晶结构域作为无定形水凝胶网络的交联点，提高了水凝胶的机械强度。两性离子SBMA的引入提供了离子迁移通道，因而提高了水凝胶的电导率。同时，通过调控两性离子的平衡状态，实现了水凝胶的抗溶胀。该水凝胶在纯水和人工海水浸泡30天后平衡溶胀比分别为9%和13%。此外，水凝胶还能在不同溶剂和较宽的pH范围内保持抗溶胀，这对拓展其应用十分有利。在水中浸泡一天后，该水凝胶传感器仍表现出优异的传感性能。进一步评估了该水凝胶应变传感器在水下运动监测领域的潜在应用，结果显示，该水凝胶传感器能够准确而可靠地识别水下运动信号（图1）。该研究为开发用于水下环境的水凝胶传感器提供了一种新的策略，且拓展了柔性可穿戴设备的应用领域。相关工作发表于Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2107404