近年来，因为人机交互、电子皮肤以及冲突纳米发电机（TENG）等范畴的潜在运用远景，科研人员致力于开发具有多种功用（如可拉伸性、耐久性和影响呼应性）的新型资料。水凝胶因其应变呼应才能、优异的机械顺应性和可调导电性等特性而十分重视。但是，含有很多组成聚合物的水凝胶与生物安排的相容性较差，并或许引发严峻的生态问题。天然多糖，如明胶、纤维素、木质素和壳聚糖，因为其固有的生物相容性和环境友好性，有望消除水凝胶设备带来的环境和人体损害。但是，因为生物聚合物与聚合导电聚合物之间的亲和性差，使生物质基水凝胶在监测人体或环境中细小影响时的呼应显得缓慢。此外，生物聚合物水凝胶用于TENG柔性电极也存在两个要害妨碍，即低导电性（＜1 S/m）和低应力敏感性，这约束了生物质基TENG的作业环境并下降了其输出功用。植酸具有共同结构，强络合性和高离子传导，在生物质衍生水凝胶中参加植酸是增强其导电性和活络性的一种卓有成效的办法。但是，植酸的过强交联才能有几率会使生物聚合物过度交联，下降水凝胶的机械功用。
闽江学院卢麒麟/陈华民团队，开发了一种新的简洁战略来平衡植酸的强交联才能，然后构成根据生物聚合物的均质水凝胶。首先将壳聚糖和聚乙烯亚胺（PEI）溶解于羧化纤维素纳米纤维（CCNF）涣散液中，随后参加植酸（PA）进行交联。CCNF经过两种机制调理植酸交联的强度：占有活性位点和静电排挤。一方面，CCNF预先与部分壳聚糖和聚乙烯亚胺反响，占有了部分能与植酸结合的活性位点；另一方面，CCNF排挤其邻近的植酸，然后避免了植酸的过度螯合。终究得到的CS/PA/PEI/CCNF 水凝胶（CPPC水凝胶）在拉伸性、丈量系数和导电性这三个应变传感器和柔性TENG电极最重要的功用指标之间达到了抱负的平衡。研讨之后发现，CCNF外表很多的结合水能为离子传输供给高速通道，然后将CPPC水凝胶的电导率提升至9.96 S/m。此外，得益于CPPC水凝胶中的很多动态氢键及其两层交联网络，CPPC水凝胶展现出优异的传感功用，如高活络度（11.83）、宽作业范围（0-400%）、低滞后性（250 ms）和杰出的可重复性（400次循环）。这些共同的传感特性使水凝胶适用于实时感测人体纤细表情和大肢体变形。CPPC水凝胶还可用于将电极拼装成TENG，使TENG具有逾越金属电极的灵活性和与之相媲美的能量搜集才能（1070.8 mW/m2）。此外，根据CPPC水凝胶的TENG的手写辨认准确率令人满意（98%）。本研讨获得的杰出效果标明，制备的CPPC水凝胶有望运用于电子皮肤、人体活动监测和柔性 TENG。
示意图1 根据植酸配位效应的Chitosan/PEI/PA/CCNF 水凝胶用于人类笔记辨认和多模态传感。
图1 CPPC水凝胶的组成与表征。a）CPPC水凝胶的组成机理。b-e） CPP（b）、CPPC0.01（c）、CPPC0.02（d）和CPPC0.03（e）水凝胶的扫描电镜图画。f、g）CPP中小球（f）和CPPC0.03（g）的元素映射图画。h、i）CPP溶胶（h）和CPPC0.03 溶胶（i）的数码照片。j）CPP中小球和CPPC0.03的半定量元素成果。k）壳聚糖、CPP和CPPC0.03的FTIR光谱。l）不同CCNF含量的CPPC水凝胶的电导率。
图2 CPPC水凝胶的机械功用。a）应力-应变曲线。b）开裂伸长率、开裂强度和弹性模量柱状图。c）CPPC0.02水凝胶在80%应变下的循环加载-卸载曲线。d）CPPC水凝胶的典型紧缩曲线%紧缩变形循环紧缩测验。f）CPPC水凝胶变形过程中动态键解离和康复的示意图。
图3 CPPC水凝胶的应变传感功用。a）CPPC0.02水凝胶传感器的应变与应变系数的联系。b）CPPC0.02应变传感器的呼应行为。c）CPPC0.02水凝胶传感器在0%-120%应变范围内的分段稳定性。d）CPPC0.02水凝胶传感器在大应变（20%-200%）下的呼应曲线水凝胶传感器在纤细应变（0.1%-10%）下的呼应曲线次循环拉伸测验。
图4 CPPC0.02水凝胶传感器的人体运动传感。a）水凝胶传感器拼装示意图。b）用水凝胶传感器监测人体部位。c）面部运动传感：挑眉、蹙眉、眨眼、浅笑和鼓腮。d）语音传感。e）身体传感：手指、掌心、手腕、内肘和外肘。
图5 CPPC0.02-TENG的能量搜集功用。a）笔直触摸分离式CPPC0.02-TENG。b）CPPC0.02-TENG的作业原理示意图。c）CPPC0.02-TENG的数码照片。d）运用COMSOL软件模仿的理论感应电压。e）不同作业频率下的能量搜集功用。f）不同压力下的能量搜集功用。g）TENG稳定性。h）向商用电容器充电的电压曲线。i）不同负载电阻下的瞬时功率密度。
图6 CPPC0.02-TENG在手写辨认中的运用。a）手写辨认中运用的算法示意图。b）志愿者书写过程中发生的电压信号。c）信号分类模型的结构。d）实践单次试验中的混杂矩阵和信号分类模型的练习前史。e）信号分类模型的练习前史。
卢麒麟，闽江学院服装与艺术工程学院副教授，“闽都学者”特聘教授，国家公派访问学者，硕士生导师，福建省高层次人才。主要是做可再生纤维低碳资料研讨，包含生物质基纳米资料、纳米发电机和可穿戴设备、柔性传感器、功用纺织资料等，掌管国家自然科学基金，福建省科学技术创新要点项目，我国博士后科学基金面上一等，福建省自然科学面上基金，福州市科技严重“揭榜挂帅”项目十余项，参加“十三五”国家要点研制方案项目等。以榜首/通讯作者在Nano Energy, Carbohydrate Polymers, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, International Journal of Biological Macromolecules等世界SCI期刊上宣布论文30余篇，授权发明专利27项。
陈华民，闽江学院资料与化学工程学院副教授，硕士生导师，福建省高层次C类人才。主要是做柔性电子相关研讨，包含柔性光电功用资料和自驱动传感器等前沿课题，掌管国家自然科学基金1项，省市级项目4项，参加过973项目、我国科学院前沿科学要点研讨项目、国家自然科学基金面上项目等。以榜首/通讯作者在Advanced Functional Materials, Advanced Science, Nano Energy, Energy Environmental Materials, Nano Research等世界SCI期刊上宣布论文20余篇，授权专利7项。
