MXene辅助的梯度水凝胶快速凝胶化与发泡过程：作为人机界面，实现电荷积累/释放的调控及触觉感知能力的提升

《Advanced Materials》：MXene-Assisted Rapid Gelation and Foaming of Gradient Hydrogel as Human-Machine Interfaces with Regulated Charge Accumulation/Dissipation and Enhanced Tactile Sensing Capability

水凝胶触觉传感器通过梯度多孔结构和MXene纳米片调控界面电荷积累与离子传输，实现4267 kPa?1的高灵敏度和100 kPa检测范围，应用于机械臂控制和电动车迷宫导航。

　　

摘要

基于水凝胶的触觉传感器通常采用电极/水凝胶/电极的夹层结构，电荷（电子和离子）在两个界面处积累形成双电层（EDLs），这类传感器被认为是人机界面（HMIs）的有前景的候选者；然而，这种连续密集的结构限制了水凝胶的变形能力，阻碍了实现高灵敏度和宽检测范围的目标。此外，现有的提高灵敏度的策略主要集中在增加外力作用下水凝胶/电极接触面积的变化上，而忽视了界面性质和离子传输动力学的设计。本文开发了具有梯度孔隙率和可调节柔软度的聚丙烯酰胺/壳聚糖/MXene（PAM/CS/MXene，简称PCM）水凝胶，其制备过程基于相变诱导的发泡机制。Ti₃C₂T_X MXene在促进快速凝胶化、稳定气泡、调节离子传输动力学以及调节水凝胶/电极界面的电荷积累/耗散方面发挥了关键作用。因此，所制备的PCM泡沫（PCMF）触觉传感器表现出4267 kPa^?1的最佳灵敏度，并且检测压力范围可达100 kPa。通过将PCMF传感器与数码相机结合用于视觉反馈，以及利用机器学习进行精确识别，展示了该传感器在控制机械臂采样和在迷宫游戏中控制电动汽车移动等概念验证应用。

图形摘要

本文提出了一种创新策略，通过调控界面性质和离子传输动力学来提高基于水凝胶的触觉传感器的性能，而不仅仅是简单地增大接触面积。这种基于相变诱导的发泡水凝胶具有梯度孔隙结构，并在界面处积累了MXene纳米片，同时实现了4267 kPa^?1的高灵敏度和高达100 kPa的宽检测范围。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。