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基于此，南京郵電大學(xué)趙強(qiáng)教授、劉寧副教授和趙為為副教授采用自由基聚合策略制備了MXene/聚丙烯酸（PAA）水凝膠，構(gòu)建了兼具高靈敏度和光熱轉(zhuǎn)換性能的柔性應(yīng)變傳感器，實(shí)現(xiàn)了可穿戴HMI電子設(shè)備的人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程機(jī)械手操控功能。相關(guān)工作以Stretchable and Photothermal MXene/PAA Hydrogel in Strain Sensor for Wearable Human-Machine Interaction Electronics為題發(fā)表在Adv. Mater. Technol.上，得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃等資助。趙強(qiáng)教授、劉寧副教授和趙為為副教授為論文的共同通訊作者，白巖博士為論文的第一作者。

MXene/PAA水凝膠的合成與制備：采用自由基聚合策略制備了具有三維多孔結(jié)構(gòu)的MXene/PAA水凝膠（圖1）。以N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺作為化學(xué)交聯(lián)劑、過(guò)硫酸銨充當(dāng)引發(fā)劑，通過(guò)丙烯酸單體的自由基聚合得到PAA。與此同時(shí)，MXene納米片表面豐富的官能團(tuán)（-O、-F和-OH）與PAA上的羧基存在氫鍵作用。最終，在60 oC條件下反應(yīng)4 h得到MXene/PAA水凝膠。

圖1. MXene/PAA水凝膠的合成與表征

MXene/PAA水凝膠的性能研究：該工作系統(tǒng)地研究了MXene/PAA水凝膠的力學(xué)性能、導(dǎo)電性、自愈性、附著力和生物相容性（圖2，3）。結(jié)果表明，適量加入MXene有助于提升水凝膠的力學(xué)性能，最大拉伸斷裂長(zhǎng)度為1081%。MXene/PAA水凝膠的導(dǎo)電性也隨著MXene含量的增加從8 mS m-1逐漸提高至69 mS m-1。水凝膠內(nèi)部動(dòng)態(tài)氫鍵相互作用使其具有快速的自愈合能力（~1.3 s）。該水凝膠也展現(xiàn)出良好的生物相容性和粘附性，為直接應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

圖2. MXene/PAA水凝膠的性能研究

圖3. MXene/PAA水凝膠的性能分析

MXene/PAA水凝膠在近紅外光照射下表現(xiàn)出可控的表面溫度調(diào)節(jié)能力（RT ~ 67 oC）（圖4）。它的光熱轉(zhuǎn)化機(jī)制源于MXene的局域表面等離子共振效應(yīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的光熱電子。此外，為了驗(yàn)證作為可穿戴加熱器的可行性，將水凝膠附著在人體皮膚上。手和水凝膠的初始溫度分別為35.2 oC和25 oC。MXene/PAA水凝膠在400 mW cm-2條件下照射150 s后，溫度上升到48.9 oC，其余部分溫度保持良好。綜合上述性質(zhì)，MXene/PAA水凝膠適用于PTM技術(shù)，在可穿戴HMI電子設(shè)備、醫(yī)療保健等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

圖4. MXene/PAA水凝膠光熱轉(zhuǎn)換性能研究

MXene/PAA水凝膠應(yīng)變傳感器的性能分析：MXene/PAA水凝膠作為自粘性柔性傳感電極，具有高靈敏度（GF ~ 4.94）、寬檢測(cè)范圍（0 - 1081%）以及穩(wěn)定的輸出信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，可以作為一種無(wú)刺激性的可穿戴應(yīng)變傳感器用于人體生物監(jiān)測(cè)，識(shí)別各種細(xì)微以及大形變的人體運(yùn)動(dòng)（圖5）。

圖5. MXene/PAA水凝膠的傳感性能

MXene/PAA水凝膠應(yīng)變傳感器的應(yīng)用展示：采用16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片完成模擬電信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通過(guò)藍(lán)牙模塊完成無(wú)線傳輸和控制，從性能上保證了人體運(yùn)動(dòng)與機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的高度同步，實(shí)現(xiàn)MXene/PAA水凝膠應(yīng)變傳感器對(duì)機(jī)械手精準(zhǔn)控制（圖6）。它不僅可以控制機(jī)械手完成簡(jiǎn)單的開(kāi)合動(dòng)作，還可以感受到微小的動(dòng)作變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的懸停、跟隨等運(yùn)動(dòng)。

圖6. MXene/PAA水凝膠在可穿戴人機(jī)交互電子產(chǎn)品中的應(yīng)用

綜上所述，該工作將柔性應(yīng)變傳感器與PTM技術(shù)相結(jié)合，有利于實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測(cè)和溫度控制等功能，增強(qiáng)實(shí)用性和用戶體驗(yàn)感，為未來(lái)柔性可穿戴HMI電子設(shè)備向多功能、高精度和綠色環(huán)保的方向發(fā)展提供了新思路。