一种具有几何增强选择性的柔性可拉伸 MXene-水凝胶多轴应变传感器

《IEEE Sensors Letters》：A Flexible and Stretchable MXene-Hydrogel Sensor With Geometry-Enhanced Selectivity for Multiaxial Strain Sensing

　　摘要：能够解耦外部刺激的柔性多模态传感器对于下一代可穿戴电子产品至关重要，然而信号干扰仍是一个重大挑战。在此，我们提出了一种直接书写策略，用于制造结构工程化的水凝胶传感器，以实现有效的信号选择性。通过设计不同的3D打印几何形状，多个传感通路在空间上实现分离。将Ti₃C₂T_X MXene掺入聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮水凝胶基体中，制备出具有优异导电性、可拉伸性和自修复性能的活性材料。这些定制化的结构能够调节电学响应，使其对特定机械输入具有选择性灵敏度，同时最小化串扰。具体而言，该传感器表现出高达7.16的拉伸灵敏度（应变系数）和6.86的剪切灵敏度。值得注意的是，同步刺激之间的交叉灵敏度被抑制在0.82%（拉伸）和0.903%（剪切）以下，从而实现高精度、高保真度的同步信号检测。该传感器还表现出超过60天的可重复性和10 000次循环以上的优异循环稳定性。该方法突出了材料性能与结构设计的协同作用，以实现高效的信号选择性，为可穿戴健康监测、软体机器人和交互电子中的高级软传感器提供了一个可扩展的平台。I. 引言解耦信号对于使多模态传感器能够准确检测多种同步刺激而不产生干扰至关重要 [1]、[2]。这类传感器已成为从可穿戴电子、机器人到高级医疗监测等各个领域不可或缺的工具 [3]、[4]。对柔性和可穿戴系统日益增长的需求推动了能够可靠感知多种机械输入的材料的发展。然而，在电子皮肤和人机接口等应用中，区分不同的变形模式——尤其是剪切和拉伸应变——由于传统传感器设计中固有的交叉灵敏度，仍然是一个重大挑战。为了减轻这种交叉灵敏度，结构工程已成为一种强大的策略。近期的研究表明，通过采用图案化结构，如蛇形、剪纸或负泊松比结构，可以实现基于几何形状的应变选择性 [5]、[6]、[7]。例如，利用碳纳米管（CNT）或MXene基网络的结构性设计表明，特定的几何修饰——如有控制的微裂纹扩展或蜿蜒蛇形互连——可以选择性地增强对特定变形模式的灵敏度，同时抑制正交干扰 [8]、[9]。虽然这些结构图案化技术为解耦机械输入提供了巧妙的解决方案，但它们通常需要复杂的多元处理，或者依赖可能损害长期循环稳定性的微观结构裂纹。导电水凝胶因其固有的柔性、可拉伸性和可调的电学性能，已成为解决这些挑战的有前景的候选材料 [10]、[11]、[12]。然而，在可打印性、机械强度和选择性传感性能之间取得最佳平衡仍然是一个重大障碍。能够检测多种物理刺激的多模态柔性传感器在器件微型化和更广泛的应用潜力方面具有明显优势 [13]、[14]、[15]。这些传感器通常由集成有活性传感材料的柔性基板组成。在各种材料选项中，水凝胶因其出色的生物相容性（可与人体组织安全接触）以及类似于人体皮肤的机械性能而尤为吸引人 [16]、[17]、[18]、[19]。然而，水凝胶本质上是绝缘的，因此需要掺入高度导电的纳米填料，如石墨烯、碳纳米管和MXene，以赋予其导电性 [20]、[21]、[22]。它们较低的杨氏模量（约0.02–0.30 MPa）[23]、高弹性和可拉伸性进一步使它们成为在动态机械条件下实现贴合且可靠传感的理想材料。在众多新兴纳米材料中，MXene（Ti₃C₂T_X）因其高金属电导率（超过25 000 S/cm）[24]、丰富的表面官能团（?O、?OH和?F）以及与聚合物基体的强相容性而备受关注 [25]、[26]。当MXene被引入亲水聚合物（如聚乙烯醇（PVA）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP））中时，会在柔软的水凝胶基体中形成渗流导电网络，使其非常适合应变和压力传感应用。与此同时，直接墨水书写（DIW）技术的进步使得制造复杂且可定制的传感器几何形状成为可能，允许通过简单的直线与蛇形结构设计的对比直接调节方向性灵敏度 [11]、[27]、[28]。