近年來，可穿戴智能傳感器在人機交互傳感、健康評估和運動監測等方面極大地重塑了人類的生活方式。隨著人類需求的不斷增加，對于多功能傳感器的研究逐漸成為重要的發展方向。傳統可穿戴傳感器中常用的金屬電極具有質量大、成本高以及損傷后無法愈合的缺點，并需要額外的膠帶或繃帶固定在人體上，增加了佩戴時的不適感。采用傳統電池和電容器等能源設備，直接供給傳感器能量，不僅帶來環境污染問題，同時增加成本。此外，傳統傳感器往往只能通過單一的工作模式去感受外界某一特定的刺激如溫度、壓力或者應變，這些問題都極大程度地限制了傳感器的應用與發展。
北京化工大學于中振教授、楊丹教授團隊通過向聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠中分散聚多巴胺修飾的碳納米管（PDA@CNTs），制備獲得具有自黏附、自愈合和生物相容性的導電納米復合水凝膠材料（PDA@CNT/PAM）。進一步可將其構筑成基于壓阻效應的應變和基于摩擦納米發電效應的壓力傳感器（圖1）。其中，聚多巴胺上豐富的鄰苯二酚基團之間的氫鍵和π-π相互作用使PDA@CNT/PAM水凝膠具有優異的自愈合和自粘性能（圖2）。在沒有任何刺激的情況下，PDA@CNT/PAM水凝膠在室溫下愈合6 h后，愈合率達到97.26%，這保證了其在惡劣環境中作為應力應變傳感器的長期應用。基于PDA@CNT/ PAM的應變傳感器具有高達3.93的GF和快速響應時間，其可以精確監測手指、手腕和肘關節的彎曲運動（圖3）。此外，基于PDA@CNT/PAM的摩擦電納米發電機使得壓力和電壓之間具有良好的線性關系（圖4），并可以應用于智能手套和模擬天平中（圖5）。基于PDA@CNT/PAM摩擦電納米發電機壓力傳感器的智能指環，使患者僅需利用手指的敲擊便可通過人機交互快速準確地表達情緒，方便醫生進行及時診斷（圖6）。結合壓阻效應與摩擦納米發電機的PDA@CNT/PAM水凝膠基的應變和壓力傳感器在可穿戴和柔性電子產品、智能機器人、個性化醫療通信、智慧用藥和人機交互方面顯示出巨大的應用潛力。
圖1. PDA@CNT/PAM水凝膠的合成路線圖以應用展望
圖2.PDA@CNT/PAM水凝膠的基本性能表征
圖3. PDA@CNT/PAM水凝膠基應變傳感器的性能測試
圖4. PDA@CNT/PAM水凝膠基摩擦納米發電機的性能測試
圖5. 基于PDA@CNT/PAM水凝膠摩擦納米發電機壓力傳感器所制備的智能手套和模擬天平來識別物體形狀、材料與稱量物體重量的應用
圖6. PDA@CNT/PAM水凝膠摩擦納米發電機壓力傳感器作為智能指環通過摩斯密碼與人機交互實現病人與醫生之間的快速溝通的應用。
