成果简介
基于水凝胶的柔性传感器因其便携性和可穿戴性等优良特性，在人造皮肤、运动检测和健康管理等领域引起了极大关注。本文，东南大学胡涛 副研究员、李晓等研究人员在《J. Mater. Chem. A》期刊发表名为“A biodegradable, highly sensitive and multifunctional mechanical sensor based on rGO-silk fibroin hydrogel for human motion detection and gesture recognition”的论文，研究通过按比例混合氧化石墨烯和蚕丝纤维素，制备了一种柔性、导电和可生物降解的水凝胶。制备出的水凝胶（名为 rGO/SF 水凝胶）具有优异的伸展性和可压缩性，因此可以实现多种信号检测。
当用作应变传感器时，它的拉伸变形可以达到 100%以上，可以检测各种人体运动，如手指、手腕、膝盖和肘部运动、胸腔呼吸以及语音识别。在压力检测方面，它的感应范围从100Pa到500kPa，灵敏度高，可以分辨手腕不同位置的脉搏信号以及运动前后的变化。此外，得益于其理想的压阻性能，通过在智能手套上安装五个压力传感器，开发出了高精度的可穿戴手势识别系统，展示了其在人机交互、体能训练和医疗诊断方面的潜在应用前景。
图文导读
图1、 （a） rGO/SF水凝胶的照片。（b） rGO与丝素蛋白之间的交联相互作用，以及（c）rGO/SF水凝胶传感器在压制和拉伸处理下的导电成分示意图。
图2、 rGO/SF水凝胶扩大内部结构的SEM图像
图3、 rGO/SF应变传感器的应变传感性能
图4、 使用 rGO/SF 应变传感器进行人体运动检测
图5、 rGO/SF压力传感器的性能
图6 、（a） 手势识别系统示意图。（b） 参与者的训练数据和测试数据的PCA可视化。（c） 专用手势识别系统的神经网络模型。
小结
综上所述，我们将氧化石墨烯和蚕丝纤维素按比例混合，制备出了一种 rGO/SF 水凝胶，它具有优异的拉伸性和可压缩性。基于这种 rGO/SF 水凝胶，我们提出了一种具有多功能性能的高拉伸性、高灵敏度和可生物降解的机械传感器，并对其压缩和拉伸特性进行了评估。当用作应变传感器时，它可以被拉伸到初始长度的 140%，并且在 100% 的拉伸应变范围内传感性能不会降低。此外，它还能检测各种人体运动，如手指、手腕、膝盖和肘部运动、胸部呼吸以及语音识别。
还可以开发成压力传感器，用于检测微弱的生命体征，在 100 Pa-100 kPa 范围内具有 0.4 kPa-1 的超高灵敏度和高达 500 kPa 的高压范围，表现出卓越的性能。得益于其出色的压阻特性，我们已将其用于分辨手腕不同位置的脉搏信号，以及运动前后的变化。为了验证概念，我们还在智能手套上安装了五个压力传感器，开发出了可穿戴手势识别系统。结合机器学习，个性化手势识别系统的测试准确率高于 90%。对于一般手势识别，通过优化批量大小和学习率这两个超参数，准确率可达到 80% 左右。这种基于 rGO/SF 水凝胶的机械传感器为低成本、可扩展地制造高性能、无封装、多信号敏感的健康监测系统开辟了一条新路。未来的研究将侧重于开发完全由可生物降解材料组成的无线健康诊断系统，该系统可用于植入式设备领域，以避免手术摘除的需要。
文献：DOI https://doi.org/10.1039/D3TA05537J
本文来自材料分析与应用，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
