柔性传感器可以检测和测量各种生物信号。为了优化其性能，已经开发了各种导电材料，例如碳基材料和金属材料，以构建传统柔性传感器的核心导电部件。尽管这些材料表现出良好的导电性，但它们通常缺乏延展性和可恢复性。相比之下，由亲水性聚合物组成的导电水凝胶具有良好的导电性、可调的机械性能和优异的生物相容性等固有特性，在柔性电子应用中引起了广泛关注。然而，导电水凝胶柔性传感器与肌肉之间又有什么联系呢？如何根据肌肉构建出导电水凝胶柔性传感器呢？本文将带领读者一探其中奥妙。

来自吉林大学的林权等人受肌肉的启发，通过定向冷冻方法制备了各向异性 MXene导电水凝胶（PMZn-GL）。PMZn-GL水凝胶用作可穿戴柔性传感器时，可全面监测人体的运动。进一步，作者将多个柔性传感器组装成3D分布阵列，用于检测力或应变的大小和空间分布。具有有序取向和各向异性的MXene导电水凝胶有望用于柔性传感器，在人机界面兼容性和医疗监测方面具有广阔的应用前景。相关作者以题为“Muscle-Inspired MXene Conductive Hydrogels with Anisotropy and Low-Temperature Tolerance for Wearable Flexible Sensors and Arrays”于8月16日发表在《Advanced Functional Materials》上。

【PMZn-GL水凝胶的制备】

近来，2D MXene纳米片材料在构建3D导电水凝胶方面的应用备受关注。然而，大多数基于MXene的导电水凝胶是各向同性聚合物网络。相比之下，各向异性结构可以最大限度地提高特定方向的机械性能、传热和导电能力。如何赋予传统的均质导电水凝胶和柔性传感器各向异性和广泛的应用温度范围仍然是一个挑战。生物体中，由生物凝胶和小分子传输通道组成的肌肉从分子水平到宏观水平都具有高度各向异性和有序的形态结构，具有很高的机械强度、传递和收缩能力，在生物功能中发挥着重要作用。

受此启发，作者首先将导电材料制成MXene纳米片，然后与聚乙烯醇、PVA和ZnSO 4溶液混合，通过定向冷冻法制备具有有序内部取向结构的水凝胶，之后进行反复冻融，并浸泡在二元溶剂中进行溶剂置换，最终得到各向异性 MXene导电水凝胶（PMZn-GL）。

图1. PMZn-GL水凝胶的合成过程

【PMZn-GL水凝胶的性能】

PM3Zn-GL（MXene纳米片浓度为3 mg·mL -1）水凝胶平行方向的应力达到875 kPa，拉伸力学性能各向异性比（定义为平行和正交方向的比值）为≈2.2。PM3Zn-GL水凝胶在平行方向的最大压应力为150 kPa，压缩力学性能各向异性比≈1.36。聚合物网络的定向排列使PM3Zn-GL水凝胶具有有序和精细的结构，可以承受更多的力。同时， PM3Zn-GL水凝胶平行方向的电导率为56 mS·m -1，电导率各向异性比≈1.3。这归因于导电水凝胶骨架的高度有序排列，减少了 MXene 纳米片之间的距离并提高了导电性。作者还发现PMZn-GL水凝胶通过二元溶剂替代，具有更优异的耐低温性。进一步地，作者表征了PMZn-GL水凝胶的传感性能，结果发现，PMZn-GL水凝胶具有良好的动态稳定性能并且在适当的应变范围内具有较高的灵敏度。

图2. PMZn-GL水凝胶在平行方向上的机械性能表征

图3. PMZn-GL水凝胶低温耐受性表征

图4. PMZn-GL水凝胶柔性传感器在平行方向的灵敏度

【PMZn-GL水凝胶在应变传感器和阵列上的应用】

PMZn-GL水凝胶柔性传感器不仅可以检测人体关节的大运动，还能检测复杂的肌肉运动变化。此外，柔性传感器可以根据说话时喉咙的振动获得阻力信号从而具有识别语音的能力，在语音识别领域具有良好前景。作者还展示了PMZn-GL水凝胶作为可穿戴柔性传感器时，能通过无线设备对人体活动进行监测，并将传感器数据传输到手机上进行显示。进一步地，作者将多个柔性传感器组装成传感器阵列，用于检测力或应变的 3D 分布。结果发现该阵列可广泛用于3D传感或智能人工电子皮肤，以识别触觉信号和绘制空间压力分布图。

图5. PMZn-GL水凝胶柔性传感器的应用

图6. PMZn-GL水凝胶柔性传感器将信号显示在手机上

图7. PMZn-GL传感器阵列展示

【小结】

作者成功制备出一种具有各向异性结构的受肌肉启发的新型 MXene 导电水凝胶。PMZn-GL水凝胶用作可穿戴柔性传感器来检测人体运动，可通过无线技术在手机上显示信号的变化来达到运动监控的目的。此外，多个柔性传感器组装成一个 3D 传感器阵列，可以识别力或应变的大小和空间分布。受肌肉启发的 MXene 导电水凝胶柔性传感器具有广阔的应用前景。