智能导电水凝胶用于可穿戴运动监测，以及基于应力的电磁屏蔽与能量转换功能切换

《Journal of Materials Science & Technology》：Intelligent conductive hydrogels for wearable motion monitoring and stress-driven switching between electromagnetic shielding and conversion

本研究设计了一种LM/FeNi3@碳纳米管/PVA智能导电水凝胶，通过冷冻-解冻循环形成稳定导电网络，实现高灵敏度（GF=1.36）的实时人体运动监测和电磁屏蔽（SE值达62.5 dB）。拉伸应力触发电磁屏蔽向波吸收的智能切换，电磁波频率覆盖4.8 GHz，为可穿戴电子设备的多功能集成提供新策略。

　　这项研究聚焦于开发一种具有智能功能切换能力的导电水凝胶，以满足可穿戴电子设备对柔性、生物相容性以及多功能集成的迫切需求。随着人工智能和物联网技术的迅速发展，可穿戴电子设备在模拟人类皮肤触觉感知、实现多种功能监测等方面展现出巨大潜力。然而，广泛存在的电磁辐射不仅干扰了这些设备的信号通信，还可能对人类健康构成威胁。因此，将电磁防护功能集成到可穿戴设备中，成为确保其可靠性和实用性的关键。当前，电磁兼容性材料正朝着轻量化、高效性和柔性的方向发展，以适应各类设备的需求。同时，可穿戴设备所处的动态工作环境也要求其电磁防护材料具备实时功能适应性，例如在形变过程中实现有效的电磁干扰（EMI）屏蔽，或在应力作用下切换功能，从屏蔽转向波吸收，从而降低信号暴露的风险。

传统电磁防护材料，如磁性金属、铁氧体和碳材料，虽然在电磁屏蔽方面表现出色，但它们缺乏动态调节能力，这在多功能可穿戴设备的集成中构成了巨大挑战。近年来，水凝胶因其类似组织的柔软性、良好的生物相容性以及对外界刺激的响应能力，逐渐成为下一代可穿戴电子设备的有前景材料。水凝胶在健康监测、软体机器人、表皮电子等领域的研究引起了广泛关注。然而，水凝胶的某些不利特性，如机械强度低、导电性差以及易受环境影响，限制了其在实际应用中的潜力。为了克服这些挑战，研究者们开发了具有定向结构的先进水凝胶，以显著提升其热和机械性能。同时，通过引入导电添加剂，如碳材料、金属颗粒和导电聚合物，可以有效平衡水凝胶的电学性能。其中，碳材料因其高固有导电性、高稳定性和低密度而被广泛使用，但在电磁波吸收应用中，其过高的导电性被认为是有害的。因此，碳材料通常与磁性金属结合，以实现磁电协同效应。

此外，镓基液态金属（LMs）如EGaIn（由75%镓和25%铟组成）也引起了高度关注。这类材料具有可调的电导率、出色的可变形性、高流动性以及低毒性，使其能够在应力作用下与基质同步变形，为多功能可穿戴电子设备提供了独特的应用前景。例如，B?交联的GaInSn/Ni-聚乙烯醇（PVA）水凝胶已被制造出来，表现出自修复、柔性传感以及良好的EMI屏蔽性能，其屏蔽效果（SE）值达到了62.5 dB。Guo等人设计了一种拉伸增强型导电水凝胶，在200%应变时，其EMI屏蔽性能比初始状态提高了211%。尽管这些进展为可穿戴电子设备的开发带来了新的可能性，但在当前的导电水凝胶中，实现灵敏的运动监测和可切换的电磁兼容性仍然面临挑战，这限制了它们在复杂环境中的应用潜力。

为了应对这一挑战，本研究设计了一种智能导电水凝胶，该水凝胶由液态金属（LM）、FeNi?@碳纳米管（CNTs）和聚乙烯醇（PVA）组成，并通过冷冻-解冻循环工艺进行制备。冷冻-解冻过程促使PVA多次重结晶，并通过氢键形成稳定的导电网络，从而赋予水凝胶优异的机械性能和静态EMI屏蔽能力。这种结构不仅提高了水凝胶的强度和稳定性，还使其具备了对环境刺激的响应能力。当水凝胶受到拉伸应力时，其电阻阻抗被优化，从而实现了从EMI屏蔽到波吸收的智能功能切换。这种功能切换使得水凝胶能够在宽频范围内（高达4.8 GHz）有效吸收电磁波，为可穿戴设备的电磁兼容性提供了新的解决方案。

通过空间电磁场和雷达散射截面（RCS）模拟，研究人员进一步揭示了水凝胶的表面反射和内部衰减机制。这些模拟结果表明，水凝胶在静态状态下能够提供良好的EMI屏蔽性能，而在受到拉伸应力时，其波吸收能力显著增强。这种动态调控的电磁兼容性特性，不仅有助于提高可穿戴设备在复杂电磁环境中的适应能力，还为其在智能驱动、人机交互和医疗健康等领域的应用提供了新的思路。

本研究的成果为开发具有动态可调电磁保护功能的可穿戴电子设备提供了新的策略。水凝胶的结构设计和材料选择使得其在保持柔软性和生物相容性的同时，具备了出色的机械性能和电磁性能。这种材料的多功能集成特性，使其在智能可穿戴设备中具有广阔的应用前景。例如，它可用于实时监测人体运动，同时在不同环境下切换电磁防护模式，以适应多种应用场景。此外，该水凝胶的智能功能切换能力，也为未来的可穿戴设备设计提供了新的方向，使设备能够根据外部条件自动调整其电磁行为，从而提高其在实际应用中的适应性和可靠性。

在材料制备方面，本研究采用了多种材料的组合策略。EGaIn作为一种液态金属，因其独特的物理和化学性质，被用作导电填料。FeNi?@CNTs则通过将Fe2+和Ni2+引入碱性溶液中，与碳纳米管发生共沉淀反应，从而形成具有磁性和导电性的复合材料。这种材料的引入不仅提高了水凝胶的导电性，还增强了其对电磁波的吸收能力。通过将LM和FeNi?@CNTs混合在PVA溶液中，并进行反复的冷冻和解冻处理，研究人员成功构建了具有优异性能的水凝胶结构。冷冻-解冻过程促使PVA分子发生重排，形成更加有序的结构，从而增强了水凝胶的机械强度和导电网络的稳定性。

在性能测试方面，该水凝胶表现出卓越的机械性能和电磁性能。其高灵敏度（GF = 1.36）使其能够准确捕捉人体的细微运动，适用于健康监测和运动分析等场景。同时，其出色的可靠性、耐久性和稳定性，使其在长时间使用过程中仍能保持良好的性能。在电磁性能方面，该水凝胶在静态状态下能够提供良好的EMI屏蔽效果，而在受到拉伸应力时，其波吸收能力显著增强。这种动态功能切换能力，使得水凝胶能够根据不同的使用需求，灵活调整其电磁行为，从而提高其在复杂环境中的适应性。

此外，本研究还探讨了水凝胶在不同应用场景中的潜在价值。在智能驱动领域，水凝胶的高灵敏度和良好的机械性能使其能够作为柔性执行器，实现对复杂运动的精确控制。在人机交互方面，水凝胶的导电性和可变形性使其能够作为传感器，实时反馈人体运动状态，从而提高人机交互的响应速度和精度。在医疗健康领域，水凝胶的生物相容性和实时监测能力使其能够用于长期佩戴的医疗设备，如可穿戴心率监测器、运动传感器和智能假肢等。这些应用不仅能够提升可穿戴设备的功能性，还能够改善用户的使用体验，提高设备的实用价值。

本研究的成果不仅在材料科学领域具有重要意义，也在可穿戴电子设备的开发中提供了新的思路。通过将液态金属和磁性导电材料结合，并利用冷冻-解冻工艺构建稳定的导电网络，研究人员成功开发了一种兼具高机械性能和动态电磁兼容性的水凝胶。这种材料的创新设计，为未来的可穿戴设备提供了更加灵活和智能的解决方案。同时，该研究也为进一步探索多功能水凝胶的结构优化和性能提升奠定了基础，有助于推动可穿戴电子设备在更广泛领域的应用。

在实际应用中，这种智能水凝胶可以用于开发新一代的可穿戴设备，这些设备不仅能够实时监测人体运动，还能根据环境变化自动调整其电磁防护模式。例如，在强电磁干扰环境中，水凝胶可以切换为EMI屏蔽模式，以保护设备和用户免受干扰；而在需要吸收电磁波的场景下，如医疗设备与人体之间的信号传输，水凝胶可以切换为波吸收模式，以减少信号暴露。这种智能功能切换能力，使得水凝胶在不同应用场景中能够发挥最佳性能，从而提高其在实际应用中的适应性和可靠性。

从长远来看，这种智能水凝胶的研究成果有望推动可穿戴电子设备的进一步发展。随着对可穿戴设备功能需求的不断增长，未来的研究可能会更加关注材料的多功能集成和智能响应能力。例如，结合其他类型的智能材料，如形状记忆材料或自修复材料，可以进一步提升水凝胶的性能和应用范围。此外，通过优化材料的结构和成分，研究人员还可以探索更多可能性，如提高水凝胶的导电性、增强其对不同频率电磁波的吸收能力，以及改善其在不同环境条件下的稳定性。

总的来说，这项研究为可穿戴电子设备的开发提供了新的材料解决方案，具有重要的理论和应用价值。通过创新的材料设计和工艺优化，研究人员成功开发了一种兼具高机械性能和动态电磁兼容性的水凝胶，使其在可穿戴设备中具备更广泛的应用前景。未来，随着材料科学和电子工程的不断进步，这种智能水凝胶有望在更多领域中得到应用，为人类健康、智能机器人和人机交互等提供更加先进和可靠的解决方案。