可穿戴式人機交互（HMI）是一種先進的技術，可以實現數據交換和信息交互，被廣泛應用于智慧醫療、人工智能等領域。作為可穿戴HMI電子產品的核心部件，柔性傳感器需要智能、準確、協作和多功能的反饋控制。在這，多功能 MXene/聚丙烯酸 (PAA) 水凝膠是通過自由基聚合制備的。作為一種柔性應變傳感器，它具有高靈敏度（應變系數≈4.94）、寬檢測范圍（0-1081%）和500個循環的穩定信號輸出。它還可以實時監控人體運動和操作機械手，在可穿戴人工智能和HMI方面展現出巨大潛力。此外，MXene/PAA 水凝膠在近紅外輻射下表現出光熱轉換性能和可控的表面溫度調節能力（RT≈67℃）。這項工作通過將柔性傳感器與個人熱管理系統集成，為開發協作式多功能可穿戴 HMI 電子產品提供了新思路。
Figure 1. MXene/PAA 水凝膠的設計和表征。 a) 合成路線示意圖和 b) MXene/PAA 水凝膠的 SEM 圖像。 c) XRD 圖和 d) MXene 納米片、PAA 水凝膠和 MXene/PAA 水凝膠的 FT-IR 光譜。
Figure 2. 水凝膠的性能研究。不同狀態下柔性 MXene/PAA 水凝膠的照片。原始狀態、扭曲狀態、壓縮狀態和拉伸狀態 a)、打結后拉伸 b)、承受剪刀的銳利壓力 c)、舉起 200 克重物 d)、可塑性 e)。具有不同MXene質量比的MXene/PAA水凝膠的應力-應變曲線f)和電導率g)。 h) 不同 MXene/PAA 水凝膠狀態（即原始、切割和愈合）下 LED 亮度變化的照片以及相應的電路圖示意圖。 i) MXene/PAA水凝膠自修復前后的電流變化曲線。
Figure 3. MXene/PAA 水凝膠的性能分析。 a) 照片說明了對不同表面的粘附性。 b) 對各種基材的粘合強度。 c) 用 TCP 和 MXene/PAA 水凝膠培養的細胞的細胞活力。 d) 頸部和手指接觸 MXene/PAA 水凝膠 60 分鐘前后的紅外熱圖像。
Figure 4. MXene/PAA 水凝膠的光熱轉換性能。 a) PAA 水凝膠和 MXene/PAA 水凝膠的紫外-可見-近紅外光譜。 b）MXene/PAA水凝膠在不同功率密度的NIR照射下的溫度-時間曲線和NIR圖像。 c）MXene/PAA水凝膠的光熱轉化機制。 d) MXene/PAA 水凝膠在 300 mW cm
−2 下 5 個開/關循環的循環穩定性。 e) 不同功率密度下的電流響應。 f) 手上水凝膠在照射前后的照片和紅外熱圖像。
Figure 5. MXene/PAA水凝膠的傳感性能。 a) MXene/PAA 水凝膠和 PAA水凝膠的相對電阻-拉伸應變曲線。 b) MXene/PAA 水凝膠與文獻中發表的其他水凝膠材料之間拉伸 GF 的比較。 c) 不同應變下的相對電阻變化（即 30%、60% 和 90%）。 (d) 應變為 30% 時，染色傳感器在 5000 秒內的相對電阻穩定性。 MXene/PAA 水凝膠傳感器的應用。實時記錄眉毛e)、嘴巴f)、喉嚨g)、手指h)、肘部i)各種人體活動產生的相對電阻變化。
Figure 6. MXene/PAA 水凝膠在可穿戴 HMI 電子產品中的應用。 a) MXene/PAA 應變傳感器的電子電路在手指運動檢測中的應用。 b) 機械手即時控制過程示意圖。 c) MXene/PAA 水凝膠傳感器實時控制機械手的照片。 d) 可穿戴 HMI 電子設備的潛在應用示意圖。
相關研究工作由南京郵電大學Weiwei Zhao, Ning Liu and Qiang Zhao課題組于2023年聯合發表在《Adv. Mater. Technol》期刊上，原文： Stretchable and Photothermal MXene/PAA Hydrogel in Strain Sensor for Wearable Human-Machine Interaction Electronics。
轉自《石墨烯研究》公眾號
