具有双重导电网络的自愈和粘合性共晶凝胶，用于多模式健康监测与人机交互

《Journal of Colloid and Interface Science》：Self-healing and adhesive eutectogels with dual conductive networks for multimodal health monitoring and human-computer interaction

柔性传感器通过整合植酸、空心聚苯胺微球和石墨烯氧化物构建自愈多模态传感材料，具有高机械强度（195 kPa）、优异电导率（0.8×10?2 S/m）和快速自愈能力（94.5%），成功应用于人体运动识别和温度-压力同步监测。

　　近年来，柔性传感器因其在多种应用场景中的潜力，如连续健康监测和先进的人机交互，而受到广泛关注。然而，传统的一维传感器在复杂环境中捕捉多维信号的能力有限，这限制了其在分析多维信息方面的应用。为此，本研究提出了一种新的材料体系，通过将胆碱氯化物（Chcl）与丙烯酸（AA）结合，合成了一种可聚合的深共晶溶剂（pDES）。随后，将植酸（PA）、空心聚苯胺微球（HPS）和氧化石墨烯（GO）引入该pDES体系中，利用光引发自由基聚合技术制备了复合共晶凝胶（PAAGH凝胶）。该材料体系凭借多重氢键相互作用和双导电网络的协同效应，展现出优异的机械性能和电导率。具体而言，PAAGH凝胶的拉伸强度可达195 kPa，断裂伸长率达1768%，电导率为0.8×10?2 S/m，且在48小时内具有高达94.5%的自修复效率。这些性能使得PAAGH凝胶在实际应用中具备显著优势。

值得注意的是，该材料体系中丰富的氢键网络不仅增强了其机械性能，还使其能够牢固地附着于多种基材上，包括塑料、橡胶和金属等。这种自粘性为传感器在复杂环境下的稳定使用提供了保障。此外，通过引入双导电网络（HPS/GO），PAAGH凝胶能够实现高灵敏度的应变响应，其应变灵敏度达到9.7，对压力的响应时间仅为46 ms，同时具备广泛的温度监测范围（0–100°C）和长期的稳定性。这些特性使得该传感器在人体健康监测、手势识别以及温度和压力信号的空间分布监测方面表现出色。

随着物联网（IoT）和人工智能（AI）的深度融合，对柔性传感系统提出了更高的要求。当前，关于人机交互的研究主要集中在单参数或双参数传感器上，而对多参数同步监测的研究仍较为有限。因此，开发具备多模态传感能力的柔性传感器，使其能够同时感知机械、热和电化学信号，对于实现精确的健康监测和智能化的人机协作至关重要。在实际应用中，这种多模态传感器可以用于识别人体动作、体温、步态以及情绪，从而为健康监测提供更全面的数据支持。

本研究中，我们创新性地引入了一种基于氢键的可聚合深共晶溶剂（pDES）。通过将植酸（PA）、空心聚苯胺微球（HPS）和氧化石墨烯（GO）引入该体系中，我们成功合成了具有自修复能力的PAAGH凝胶。这种材料体系中，PA与pDES之间的多重氢键相互作用赋予了PAAGH凝胶优异的自修复能力和自粘性。同时，HPS和GO的引入构建了双导电网络，进一步提升了凝胶的导电性能和机械强度。在优化比例（PAA??）下，PAAGH凝胶的拉伸强度达到0.195 MPa，断裂伸长率高达1768%。此外，GO和HPS的加入使凝胶的机械强度进一步提升至0.88 MPa，同时赋予了其良好的导电性能。

为了验证该材料体系的实际应用价值，我们还开发了一种集成多种应变和压力传感器的机械手系统。该系统能够实现手语识别和物体抓取姿态的检测，展示了PAAGH凝胶在人机交互领域的巨大潜力。通过应用机器学习算法对多模态信号进行特征提取，我们构建了一个5×5的压力-温度传感矩阵，能够同步映射物体的压力分布和温度变化，成功区分了不同烧杯的温度和位置。这一成果不仅为下一代智能柔性电子设备提供了一种新型材料范式，也为数字医疗和基于物联网的人机交互技术的发展奠定了坚实的基础。

在材料选择方面，我们采用了多种高分子材料和功能材料。其中，胆碱氯化物（Chcl）作为氢键受体（HBA），丙烯酸（AA）作为氢键供体（HBD），共同构成了可聚合的深共晶溶剂（pDES）。这种pDES体系不仅具有良好的热稳定性和化学稳定性，还能够通过氢键相互作用形成有序的结构，从而提升材料的整体性能。植酸（PA）作为一种天然存在的有机酸，具有良好的生物相容性和可降解性，能够有效增强材料的机械性能。同时，PA还能够与pDES形成稳定的氢键网络，为材料的自修复能力提供支持。

空心聚苯胺微球（HPS）作为一种导电材料，具有良好的导电性和机械强度。通过将HPS引入pDES体系中，我们构建了双导电网络，使PAAGH凝胶具备更高的导电性能。此外，HPS的空心结构能够有效吸收外界应力，提高材料的抗冲击能力。氧化石墨烯（GO）作为一种二维材料，具有优异的导电性和机械性能。通过将GO引入pDES体系中，我们进一步提升了凝胶的导电性能和机械强度，使其能够适应更复杂的应用环境。

在设计和制备PAAGH凝胶的过程中，我们采用了一种光引发自由基聚合技术。这种技术能够有效控制聚合过程，使凝胶具有良好的结构可控性和性能稳定性。通过调节PA、HPS和GO的比例，我们能够优化凝胶的机械性能和导电性能，使其在实际应用中表现出色。此外，我们还对凝胶的自修复能力和自粘性进行了系统研究，发现其在不同环境条件下均能够保持良好的性能，为实际应用提供了保障。

在实验过程中，我们采用了一系列先进的表征技术，如扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉伸测试等。这些技术能够有效评估凝胶的微观结构、化学组成和机械性能。通过这些表征手段，我们发现PAAGH凝胶具有良好的微观结构和化学稳定性，能够适应不同的环境条件。此外，凝胶的自修复能力也得到了验证，其在不同时间尺度下均能够恢复大部分的传感性能，为实际应用提供了可靠的支持。

在应用方面，PAAGH凝胶展现出了广泛的前景。其优异的机械性能和导电性能使其能够应用于多种柔性传感器中，如电子皮肤、智能假肢和健康监测设备。此外，其良好的自修复能力和自粘性使其能够在复杂环境中保持稳定运行，为长期监测提供了保障。通过将PAAGH凝胶应用于多模态传感系统中，我们能够实现对多种信号的同时监测，如应变、压力和温度，从而为健康监测和人机交互提供了更全面的数据支持。

在研究过程中，我们还对多种参数进行了系统分析。例如，我们研究了PAAGH凝胶在不同环境条件下的性能变化，发现其在高温、高湿和高应力条件下均能够保持良好的性能。此外，我们还研究了不同比例的PA、HPS和GO对凝胶性能的影响，发现其在特定比例下能够达到最佳的性能平衡。这些研究结果为实际应用提供了理论依据，也为材料体系的优化提供了方向。

本研究的创新点在于，我们成功开发了一种基于氢键的可聚合深共晶溶剂（pDES）体系，并将其与多种功能材料结合，构建了具有优异性能的PAAGH凝胶。这种材料体系不仅能够实现多模态传感，还能够保持良好的机械性能和导电性能。此外，我们还开发了一种集成多种应变和压力传感器的机械手系统，使其能够实现手语识别和物体抓取姿态的检测。这些成果不仅为下一代智能柔性电子设备提供了一种新型材料范式，也为数字医疗和基于物联网的人机交互技术的发展奠定了坚实的基础。

在实际应用中，PAAGH凝胶展现出了良好的适应性和稳定性。其优异的机械性能使其能够适应不同的环境条件，而良好的导电性能使其能够实现对多种信号的同时监测。此外，其自修复能力和自粘性使其能够在复杂环境中保持稳定运行，为长期监测提供了保障。通过将PAAGH凝胶应用于多模态传感系统中，我们可以实现对多种信号的同时监测，如应变、压力和温度，从而为健康监测和人机交互提供了更全面的数据支持。

在研究过程中，我们还对多种参数进行了系统分析。例如，我们研究了PAAGH凝胶在不同环境条件下的性能变化，发现其在高温、高湿和高应力条件下均能够保持良好的性能。此外，我们还研究了不同比例的PA、HPS和GO对凝胶性能的影响，发现其在特定比例下能够达到最佳的性能平衡。这些研究结果为实际应用提供了理论依据，也为材料体系的优化提供了方向。

综上所述，本研究开发了一种基于氢键的可聚合深共晶溶剂（pDES）体系，并将其与多种功能材料结合，构建了具有优异性能的PAAGH凝胶。这种材料体系不仅能够实现多模态传感，还能够保持良好的机械性能和导电性能。此外，我们还开发了一种集成多种应变和压力传感器的机械手系统，使其能够实现手语识别和物体抓取姿态的检测。这些成果不仅为下一代智能柔性电子设备提供了一种新型材料范式，也为数字医疗和基于物联网的人机交互技术的发展奠定了坚实的基础。