可穿戴式人機(jī)交互（HMI）是一種先進(jìn)的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信息交互，被廣泛應(yīng)用于智慧醫(yī)療、人工智能等領(lǐng)域。作為可穿戴HMI電子產(chǎn)品的核心部件，柔性傳感器需要智能、準(zhǔn)確、協(xié)作和多功能的反饋控制。在這，多功能 MXene/聚丙烯酸 (PAA) 水凝膠是通過自由基聚合制備的。作為一種柔性應(yīng)變傳感器，它具有高靈敏度（應(yīng)變系數(shù)≈4.94）、寬檢測(cè)范圍（0-1081%）和500個(gè)循環(huán)的穩(wěn)定信號(hào)輸出。它還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控人體運(yùn)動(dòng)和操作機(jī)械手，在可穿戴人工智能和HMI方面展現(xiàn)出巨大潛力。此外，MXene/PAA 水凝膠在近紅外輻射下表現(xiàn)出光熱轉(zhuǎn)換性能和可控的表面溫度調(diào)節(jié)能力（RT≈67℃）。這項(xiàng)工作通過將柔性傳感器與個(gè)人熱管理系統(tǒng)集成，為開發(fā)協(xié)作式多功能可穿戴 HMI 電子產(chǎn)品提供了新思路。
Figure 1. MXene/PAA 水凝膠的設(shè)計(jì)和表征。 a) 合成路線示意圖和 b) MXene/PAA 水凝膠的 SEM 圖像。 c) XRD 圖和 d) MXene 納米片、PAA 水凝膠和 MXene/PAA 水凝膠的 FT-IR 光譜。
Figure 2. 水凝膠的性能研究。不同狀態(tài)下柔性 MXene/PAA 水凝膠的照片。原始狀態(tài)、扭曲狀態(tài)、壓縮狀態(tài)和拉伸狀態(tài) a)、打結(jié)后拉伸 b)、承受剪刀的銳利壓力 c)、舉起 200 克重物 d)、可塑性 e)。具有不同MXene質(zhì)量比的MXene/PAA水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線f)和電導(dǎo)率g)。 h) 不同 MXene/PAA 水凝膠狀態(tài)（即原始、切割和愈合）下 LED 亮度變化的照片以及相應(yīng)的電路圖示意圖。 i) MXene/PAA水凝膠自修復(fù)前后的電流變化曲線。
Figure 3. MXene/PAA 水凝膠的性能分析。 a) 照片說明了對(duì)不同表面的粘附性。 b) 對(duì)各種基材的粘合強(qiáng)度。 c) 用 TCP 和 MXene/PAA 水凝膠培養(yǎng)的細(xì)胞的細(xì)胞活力。 d) 頸部和手指接觸 MXene/PAA 水凝膠 60 分鐘前后的紅外熱圖像。
Figure 4. MXene/PAA 水凝膠的光熱轉(zhuǎn)換性能。 a) PAA 水凝膠和 MXene/PAA 水凝膠的紫外-可見-近紅外光譜。 b）MXene/PAA水凝膠在不同功率密度的NIR照射下的溫度-時(shí)間曲線和NIR圖像。 c）MXene/PAA水凝膠的光熱轉(zhuǎn)化機(jī)制。 d) MXene/PAA 水凝膠在 300 mW cm
−2 下 5 個(gè)開/關(guān)循環(huán)的循環(huán)穩(wěn)定性。 e) 不同功率密度下的電流響應(yīng)。 f) 手上水凝膠在照射前后的照片和紅外熱圖像。
Figure 5. MXene/PAA水凝膠的傳感性能。 a) MXene/PAA 水凝膠和 PAA水凝膠的相對(duì)電阻-拉伸應(yīng)變曲線。 b) MXene/PAA 水凝膠與文獻(xiàn)中發(fā)表的其他水凝膠材料之間拉伸 GF 的比較。 c) 不同應(yīng)變下的相對(duì)電阻變化（即 30%、60% 和 90%）。 (d) 應(yīng)變?yōu)?30% 時(shí)，染色傳感器在 5000 秒內(nèi)的相對(duì)電阻穩(wěn)定性。 MXene/PAA 水凝膠傳感器的應(yīng)用。實(shí)時(shí)記錄眉毛e)、嘴巴f)、喉嚨g)、手指h)、肘部i)各種人體活動(dòng)產(chǎn)生的相對(duì)電阻變化。
Figure 6. MXene/PAA 水凝膠在可穿戴 HMI 電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。 a) MXene/PAA 應(yīng)變傳感器的電子電路在手指運(yùn)動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用。 b) 機(jī)械手即時(shí)控制過程示意圖。 c) MXene/PAA 水凝膠傳感器實(shí)時(shí)控制機(jī)械手的照片。 d) 可穿戴 HMI 電子設(shè)備的潛在應(yīng)用示意圖。
相關(guān)研究工作由南京郵電大學(xué)Weiwei Zhao, Ning Liu and Qiang Zhao課題組于2023年聯(lián)合發(fā)表在《Adv. Mater. Technol》期刊上，原文： Stretchable and Photothermal MXene/PAA Hydrogel in Strain Sensor for Wearable Human-Machine Interaction Electronics。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
