《Chemical Engineering Journal》：A dual-gradient Janus architecture: Engineering aerogel sensors with high sensitivity and wide linear range for human-machine interaction
编辑推荐：
宽压力范围弹性导电气凝胶传感器研究。采用水基聚氨酯与聚硅氧烷/异氰酸酯双交联构建超弹性多孔气凝胶，通过Janus结构集成高/低模量-导电性异质层，实现0-98.8kPa宽线性（R2=0.986）与高灵敏度（193.14kPa?1）。该传感器可单指操作，通过摩尔斯电码实现复杂文字输入，为智能可穿戴设备提供新方案。
曾向晖|卢瑶|何俊伟|邹丽明|丁泽昭|樊洋|李燕薇薇
中国东华大学材料科学与工程学院先进纤维材料国家重点实验室，上海201620
摘要
轻质多孔气凝胶在柔性压力传感器方面具有吸引力，然而，传统的实现方式仍受到弹性、线性、灵敏度和检测范围的限制。本文通过简单的乳液模板法和分子网络调控方法，制备出了具有优异弹性的水性聚氨酯基导电气凝胶。同时，本研究提出了一种新型策略，引入了具有双重导电性和双重模量传感层的Janus导电结构。这种设计使得导电路径能够随着压力的变化而阶段性转换，有效抑制了在宽压力范围内的变化和饱和现象。所得到的压阻传感器表现出宽线性范围（0–98.8 kPa）、显著的线性（R2 = 0.986）和高灵敏度（193.14 kPa?1）。凭借其优异的性能，这种单一传感器可以替代传统的传感器阵列，通过摩尔斯电码实现复杂的文本和多位数输入。对于有运动障碍的人来说，它仅使用一个手指就能进行远距离通信，显示出其在可穿戴技术、人机交互和智能电子领域的巨大潜力。
引言
人工智能、人机交互和可穿戴电子技术的快速发展，迫切需要结合高灵敏度和优异机械性能的压力传感器[1]、[2]。目前，根据传感机制，压力传感器主要分为四种类型：压电型、电容型、摩擦电型和压阻型[3]、[4]、[5]、[6]。其中，由弹性基底与导电材料集成而成的压阻传感器被认为是下一代压力传感器的有希望的候选者，因为它们对应力/应变响应迅速、灵敏度高且信号稳定性好[7]、[8]。轻质气凝胶具有可调的多孔结构和高孔隙率，是构建高性能压阻传感器的理想基底材料[9]、[10]、[11]。传统的基于气凝胶的压阻传感器通常受到基体弹性不足和接触电阻变化范围狭窄的限制，导致灵敏度低、检测范围有限、线性差和响应慢。因此，开发结合高弹性和优异传感性能的气凝胶传感器仍然是一个重大挑战。
由于其低毒性，水性聚氨酯（WPU）被广泛应用于生物医学领域，如医用敷料、人造皮肤和药物释放涂层[12]、[13]、[14]。这种天然的皮肤相容性使其成为可穿戴产品的理想基底材料。WPU因其优异的柔韧性、低成本、良好的加工性和环保性而被认为是理想的气凝胶基底材料[15]。然而，WPU气凝胶往往在微观结构控制、孔结构不均匀和机械性能不理想方面存在问题，这限制了其在高性能传感器中的应用[16]。尽管之前的研究尝试将石墨烯或纤维素纳米晶体等刚性材料掺入WPU基体中以制备复合气凝胶，但所得材料的韧性仍然不足，从而限制了基于WPU的气凝胶传感器的传感性能[17]、[18]。
除了微观结构工程外，宏观结构设计也被证明是提高压阻传感器传感性能的有效策略[19]、[20]。例如，Song等人[21]开发了一种具有梯度孔隙率和分层结构的PDMS/CNT复合材料。这种设计使得传感器在低至高压范围内都能实现可控的变形，显著提高了灵敏度并拓宽了工作压力范围。在另一项研究中，He等人[22]通过热压制备了具有非对称模量配置的Ag-MnO?/聚氨酯复合材料。由此产生的Janus结构有效提高了传感器在高压区域的灵敏度。这些研究共同表明，设计梯度或非对称模量结构有助于在高压条件下提高灵敏度。此外，Lin等人[23]将具有双重电阻传感层的Janus导电结构引入压阻传感器中。这种配置使得电流传输路径能够随着压力的变化而阶段性切换，有效缓解了宽压力范围内的信号饱和现象。结果，传感器在0–1000 kPa范围内的灵敏度达到4.11 kPa?1，线性高达99.9%。同样，Zeng等人[24]通过构建具有梯度电导率和互锁微槽结构的传感层，实现了99.85%的高线性响应。这些结果表明，调节传感层的电导率可以有效优化传感器的线性。然而，非对称模量设计与相应的导电不对称性的协同组合尚未被探索。这种集成策略在开发具有异常宽线性响应范围和优异综合灵敏度的压阻传感器方面具有巨大潜力。
因此，采用了一种双重交联策略，结合化学和物理相互作用来制备超弹性WPU基导电气凝胶。水基聚氨酯、聚硅氧烷和多异氰酸酯通过氢键和化学键的双重交联形成了强分子框架。此外，通过整合两个具有不同弹性模量和电导率的非对称导电气凝胶层，制备出了基于Janus气凝胶的传感器（J-PWHW）。功能上，低模量气凝胶层在低压下通过显著的电阻变化实现高灵敏度和低检测限；而高模量层则防止了高压下的信号饱和，从而大幅拓宽了传感范围。通过校准两层之间的电导率差异，进一步优化了这一扩展范围内的灵敏度和线性。最终，这种多尺度设计策略赋予了压力传感器高灵敏度、宽线性范围和优异耐久性的最佳组合。这种柔性压阻传感器成功应用于电子皮肤，能够捕捉从微小动作到行走时的大压力等各种人体运动。将其贴在皮肤上，可以灵敏地检测手指触碰，输出电流的脉冲宽度被用来编码和解码摩尔斯电码中的26个字母和10个数字。在计算机的辅助下，实现了实时字母输入和屏幕显示，为行动不便的用户提供了有效的人机交互工具，凸显了其在运动监测和可穿戴电子领域的巨大潜力。
部分内容摘录
PCNTs的制备
首先，准备了100 mL Tris-HCl缓冲液（100 mM，pH 8.5）。然后向缓冲液中加入180 mg CNTs和60 mg 盐酸多巴胺。将混合物在冰水浴中超声处理1小时以实现均匀分散。随后，在室温（25°C）下连续磁力搅拌24小时进行反应。最后，通过真空过滤收集产物，用去离子水彻底清洗三次，并在真空条件下干燥。
J-PWHW传感器的设计与制备
图1a和图S3展示了PWHW气凝胶的制备过程。首先，将WPU、HAPS和WPI在水中超声混合得到前驱体溶液。在冷冻过程中形成多孔结构，生长中的冰晶压缩聚合物链，随后通过冷冻干燥使冰升华，得到具有均匀孔结构的WHW气凝胶。在这个系统中，WPU的柔性长链作为柔软的骨架，提供了基本支撑
结论
总之，通过坚固的双重交联网络制备出了超弹性PWHW气凝胶。结果表明，PWHW气凝胶在单次80%压缩循环后的应变损失率仅为约7.2%，弹性恢复率为91%；在80%应变下经过100次循环后仍保持结构完整性；断裂伸长率高达940%。受人类皮肤结构的启发，设计了具有模量和电导率梯度的J-PWHW传感器。
CRediT作者贡献声明
曾向晖：撰写——原始草案、方法学、研究、数据分析、概念化。卢瑶：方法学、研究、数据分析。何俊伟：资金获取。邹丽明：方法学、研究、资金获取。丁泽昭：方法学、研究。樊洋：方法学、研究。李燕薇薇：研究、资金获取。
致谢
本工作得到了“国家自然科学基金”（资助编号：82402902）和“中央高校基本科研业务费”（编号：2232023A-04）的支持。
