湖南大學(xué)王兆龍課題組：基于3D打印可降解水凝膠的快速可編輯人機界面

來源：摩方PuSL高精密3D打印

水凝膠憑借著可拉伸的三維高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及可供離子傳輸?shù)乃�性環(huán)境在可穿戴器件,、瞬態(tài)電子和人機交互等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用,。然而，伴隨著柔性電子領(lǐng)域的快速發(fā)展,，如何解決大量的柔性電子產(chǎn)品廢棄物成為了挑戰(zhàn)之一,。受此啟發(fā)，湖南大學(xué)王兆龍副教授,、段輝高教授與上海交通大學(xué)鄭平院士,、南方科技大學(xué)葛锜教授、航天五院楊東升研究員合作,，在《Materials Today Physics》期刊上發(fā)表了題為“Ultra-fast programmable human-machine interface enabled by 3D printed degradable conductive hydrogel”的文章,。

該文章利用面投影光刻技術(shù)（nanoArch P140，摩方精密）制備了高精度高拉伸可導(dǎo)電水凝膠樣品及可編輯線路,。在特定環(huán)境下,，體系能被完全降解，實現(xiàn)柔性電子的環(huán)保無殘留,。

圖1 基于面投影微立體光刻3D打印技術(shù)的水凝膠,。（a）面投影光刻技術(shù)原理圖。（b）水凝膠前體溶液組成,。（c）前體溶液固化前后展示圖,。（d）H2O-H2O、H2O-PG,、PG-PG 和 PAM-H2O-PG 的氫鍵相互作用的密度泛函理論分析（DFT）,。（e）掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。（f）基于面投影光刻技術(shù)制備的高精度海星和雪花樣品,。

具體的溶液制備和加工過程如圖1a-b所示,，先將光引發(fā)劑 (2, 4, 6-三甲基苯甲酰基)苯基次膦酸乙酯(TPO-L)分散在1,2-丙二醇中,，得到溶液A,。同時，將氯化鉀（KCl）,、丙烯酰胺（AAm）和聚（乙二醇）二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）加入去離子（DI）水中混合均勻得到溶液B,。將溶液A、B混合均勻,，超聲處理得到水凝膠前體溶液（圖 1c）,，在405nm紫外光的照射下能被完全固化,。三維多孔網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)保證了高拉伸性能，圖2a-c展示了不同成分含量下樣品的拉伸性,。研究人員通過單軸拉伸測試探究了不同成分含量對拉伸性能的影響,。此外，還探究了電導(dǎo)率的影響因素（圖2d-h）,，證明了基于高拉伸導(dǎo)電水凝膠器件的低溫工作性能。

圖2 力學(xué)與電學(xué)性能的探究,。（a）拉伸測試,。不同含量（b) 丙烯酰胺，（c) 1,2-丙二醇的水凝膠樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,。不同含量（d）氯化鉀,，（e）丙烯酰胺和（f）1,2-丙二醇的水凝膠樣品的電導(dǎo)率測試。（g）丙烯酰胺和去離子水質(zhì)量比為3的水凝膠樣品的差示掃描量熱（DSC）曲線,。（h）不同溫度下的電導(dǎo)率,。（i) 拉伸與導(dǎo)電性能的綜合展示。

水凝膠的可降解的性能由酰胺基和交聯(lián)劑的共同水解實現(xiàn),，圖3b展示了六邊形水凝膠樣品的降解過程（pH=13）,。通過改變樣品的形狀、厚度或表面積,，能夠?qū)ζ浣到馑俣冗M(jìn)行調(diào)控,。除了幾何參數(shù)，水凝膠前體溶液的成分含量,、環(huán)境的pH值和溫度都會影響降解速率,。（圖3c-g）

圖3 降解性能探究。（a）堿性環(huán)境中的降解原理圖,。（b)六邊形水凝膠樣品在pH值為13的堿性溶液中的降解過程,。不同含量（c）丙烯酰胺，（d）PEGDMA和（e）1,2-丙二醇的水凝膠樣品的降解時間測試,。（f）不同pH值下的降解時間,。（g）不同溫度下的降解時間。

基于高拉伸可降解導(dǎo)電水凝膠的柔性電子具有優(yōu)異的工作性能,，研究人員將其應(yīng)用在柔性傳感及人機交互等應(yīng)用中,。如圖4a-b所示，基于水凝膠的柔性傳感器對于重復(fù)的機械運動具有準(zhǔn)確靈敏的監(jiān)測能力,，具有廣泛的傳感范圍,，從而達(dá)成穩(wěn)定傳感的目的。研究人員主要對手指彎曲,、不同頻率的重復(fù)運動,、吞咽,、發(fā)音等動作進(jìn)行了監(jiān)測。研究結(jié)果如圖4c-i所示,。除此之外,，研究人員還利用水凝膠器件的可降解性能對瞬態(tài)電子及可編輯人機界面應(yīng)用的可行性進(jìn)行了探究。圖5a展示了通過降解和修復(fù)能夠?qū)崿F(xiàn)串并聯(lián)電路的快速轉(zhuǎn)換,。人機界面由基于水凝膠電路的肌電采集系統(tǒng)組成（圖5b）,，可穩(wěn)定獲取五個手指的肌電信號，開發(fā)的 EMG 收集系統(tǒng)能夠?qū)��?fù)雜的手勢進(jìn)行編碼,，實現(xiàn)人手控制機械手進(jìn)行動作,，如圖5c-g展示，證明了基于3D打印可降解導(dǎo)電水凝膠在快速可編輯人機界面應(yīng)用的可行性,。值得一提的是,，基于水凝膠的體系能被完全降解，為可編程和環(huán)�,？纱┐髟O(shè)備提供了新思路,。

圖4 基于水凝膠的柔性傳感器監(jiān)測性能,。（a）不同應(yīng)變下水凝膠應(yīng)變傳感器相對電阻變化曲線,。（b）不同拉伸率下的靈敏度。（c） 手指彎曲,，（d）手指不同頻率連續(xù)彎曲,，（e）肘部連續(xù)彎曲,，（f）行走期間膝蓋彎曲，（g）吞咽,，（h）發(fā)聲和（i）恒定壓力下的傳感曲線,。

圖5 可編輯電路及人機界面應(yīng)用。（a）基于水凝膠電路的降解和修復(fù),。（b）采集系統(tǒng)工作原理示意圖,。（c）所開發(fā)的 EMG 采集系統(tǒng)捕獲得到的五個手指 EMG 信號。（d）暴露于堿下的EMG 采集系統(tǒng)捕獲得到的EMG 信號,。（e）基于可降解水凝膠的可編程人機界面示意圖,。（f）采集得到的不同手勢的信號。（g)快速可編輯人機界面工作展示,。

該項研究成果獲得了廣東省重點領(lǐng)域研究發(fā)展計劃,，湖南省自然科學(xué)基金，民用航空航天技術(shù)研究項目和中國空間技術(shù)研究院空間探索計劃和錢學(xué)森實驗室等實驗及研究項目支持,。

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https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2022.100794