高性能水凝膠傳感器研究進展

鄭靜霞， 陳國旗， 繆玥鑰， 楊海龍， 付 俊

（中山大學材料科學與工程學院, 聚合物復合材料及功能材料教育部重點實驗室, 廣東省功能生物材料工程技術研究中心, 廣州市柔性電子材料與可穿戴設備重點實驗室, 廣州 510006）

柔性傳感器在可穿戴設備[1,2]、軟機器人[3,4]及電子皮膚[5,6]等領域具有廣泛的應用前景。生物體含有不計其數的傳感器，將外部刺激轉換為生物電信號，傳遞給神經元與大腦，啟發了越來越多的科研工作者對于柔性傳感器的研究。聚合物水凝膠是一類生物啟發的仿生生物功能材料，由包含大量水的交聯親水性聚合物網絡組成[7,8]，其化學性質、網絡結構、力學性能及生物功能可靈活調節，模量與天然組織相似，生物相容性好[8]，是制備可穿戴設備、植入式傳感器和電子皮膚的理想材料[9]。

導電水凝膠是制備水凝膠柔性傳感器的主要材料之一，其導電性能是決定傳感性能的關鍵因素。將導電成分（如：納米金屬、納米線、液態金屬、碳材料或導電聚合物等）和水凝膠網絡復合，可制備電子導電水凝膠[10]；在水凝膠中加入鹽、酸或離子液體等可獲得較高的離子電導率；聚電解質水凝膠也具有較好的離子導電性能。在應力或應變作用下，水凝膠的電導率或電阻率發生變化，表現出傳感性能。研究制備新型高強韌導電水凝膠，提高電導率和傳感靈敏度，探索其結構與性能之間的關系，獲得低檢測限、高靈敏度，實現較廣泛的檢測范圍等仍是亟待解決的基礎科學問題。

在實際應用中，柔性水凝膠傳感器通常要承受周期性的載荷，要求水凝膠具備優異的力學性能，以保持穩定結構和傳感性能。高強韌水凝膠[11,12]如雙網絡水凝膠[13,14]、納米復合水凝膠[15,16]、膠束交聯水凝膠[17]和聚陰陽離子水凝膠[18]等的發展為制備高性能水凝膠傳感器奠定了基礎。基于這些原理，將導電機制與高強韌水凝膠理念結合，制備了一系列高強韌、抗疲勞和自修復/自愈合的導電水凝膠[19]，有力地推動了水凝膠傳感器的發展[7]。

水凝膠柔性傳感器在可穿戴或可植入電子設備等領域有重要的應用前景。水凝膠材料與生物組織之間的界面作用至關重要[20]。制備組織黏附性水凝膠，利用親水-疏水相互作用、金屬離子絡合、π-π堆積、陽離子-π相互作用及共價鍵等[21-23]，在凝膠與軟組織之間建立良好的器件-組織界面，消除界面阻抗，提高信噪比[24,25]，有利于水凝膠傳感器持續穩定地監測組織器官的健康和運動狀態。

本課題組在高性能導電水凝膠網絡結構設計、結構與傳感性能之間的關系、材料-組織界面黏附、組織器官運動監測等方面開展了系統的研究工作（圖1）：制備了高拉伸性能、高電導率、高靈敏度的導電水凝膠，揭示了導電網絡結構與線性傳感性能之間的關系；利用兩性離子聚合物鏈間偶極-偶極作用，制備組織黏附型離子導電水凝膠，實現了器官運動的遠程實時監測，為研究植入型水凝膠傳感器提供了新思路。結合本課題組研究工作，本文系統地總結和分析基于強韌導電水凝膠的柔性傳感器領域的代表性研究進展，介紹網絡結構對力學性能、電導率和傳感性能的影響；闡述組織黏附型水凝膠傳感器的重要思路；探討多種材料和傳感功能集成的新型傳感器發展方向；最后，簡要總結和展望柔性傳感器的發展前景。

圖1 高性能水凝膠傳感器的網絡結構設計與性能研究Fig. 1 Network structure design and performance study of high performance hydrogel sensor

1 導電水凝膠

導電水凝膠根據主要導電原理可分為電子導電水凝膠和離子導電水凝膠（圖2）。本節簡要介紹導電水凝膠的主要種類和制備方法，并闡述其網絡結構與力學性能、導電性能、傳感性能之間的關系。

圖2 制備導電水凝膠的主要策略Fig. 2 Main strategies for preparing conductive hydrogels

1.1 電子導電水凝膠

電子導電水凝膠一般由導電網絡和水凝膠基質組成。導電網絡可由導電填料或原位聚合形成的導電聚合物構成；水凝膠充當可拉伸、變形的基質。將預聚的水凝膠網絡作為基質或模板，原位聚合導電單體，可形成貫穿水凝膠的導電網絡。這些策略與納米復合水凝膠和雙網絡水凝膠有一些共同點，例如：碳納米材料和金屬納米顆粒與水凝膠復合可改善水凝膠的拉伸性，同時賦予水凝膠導電性；在水凝膠網絡中原位聚合導電聚合物，得到強韌、抗疲勞的導電水凝膠，該導電水凝膠具有出色的電導率、靈敏度、以及優異的強度、韌性和抗疲勞性能。 / /

導電材料（或導體）包括碳納米管、石墨烯 氧化石墨烯、金屬納米顆粒 微粒和導電聚合物等，可以直接交聯成3D網絡，通常具有優異的電導率，如：采用一步水熱法制備石墨烯水凝膠[26]：在高壓釜中，石墨烯納米片經180 ℃水熱還原12 h，重疊或聚結為物理交聯的3D多孔網絡石墨烯水凝膠，電導率達0.5 S/m[27]。

將導電聚合物交聯，可制備導電水凝膠。植酸能使聚苯胺（PANI）鏈上的氮原子質子化，并且與多個PANI鏈形成氫鍵而交聯成3D水凝膠網絡[28]，其電導率高達11 S/m[29]。類似地，研究人員開發了多種基于導電聚合物的導電水凝膠[7,30]，如聚（3,4-乙烯二氧噻吩）∶聚（4-苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT∶PSS）凝膠，含水率高達99.22%（質量分數），電導率46 S/m，并實現了噴墨打印及噴涂制備水凝膠微圖案器件。經過濃H2SO4進一步處理之后，其電導率高達880 S/m。Zhao團隊[31]將非揮發極性溶劑二甲基亞砜（DMSO）添加到PEDOT∶PSS的混合水溶液中，經干燥退火，使其發生相分離，得到結構分散均勻的納米纖維互聯網絡，進一步在水中溶脹，制得具有高電導率及高拉伸性的PEDOT∶PSS水凝膠，可作為導電墨水，打印具有復雜幾何形狀的圖案化電極，應用于生物電子設備[32]。

導體水凝膠通常電導率較高，但力學性能較差。將導電填料與水凝膠復合，可制備具有更高拉伸性和韌性的復合導電水凝膠[33]。氧化石墨烯（GO）納米片表面含有大量的羥基、環氧基和羧基[34]，可用作交聯劑制備導電復合水凝膠[35]。將GO納米片與聚丙烯酰胺（PAAm）鏈交聯，制備納米復合水凝膠，斷裂伸長率超過3 000%[36]，且具有高彈性。將GO交聯與離子絡合交聯結合[37]，可賦予導電水凝膠自愈合性能。碳納米管（CNTs）具有高長徑比、高強度和優異的導電性，與水凝膠復合，可獲得高電導率[38]。將多壁碳納米管表面氧化[39]或化學修飾[40]，并與PAAm等復合，制備的納米復合水凝膠既具有優異的力學性能及自愈合性能，又具有較高的應變靈敏度（GF=3.39）和較寬的應變范圍（250%～700%）。

1.2 互穿網絡導電水凝膠

將導電聚合物與水凝膠單體或前驅溶液混合，引發單體原位聚合，可形成導電網絡與凝膠網絡互穿的均質導電水凝膠[41]（圖3（a））。將甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)與兩性離子單體磺基甜菜堿甲基丙烯酸酯(SBMA)溶解在PEDOT∶PSS水溶液中，光引發聚合形成P(HEMA-co-SBMA)聚合物網絡，該網絡與PEDOT∶PSS導電網絡互穿[42]，得到高強韌的導電水凝膠。在互穿聚合物網絡（IPN）內部整合氫鍵、靜電相互作用和鏈纏結，形成多重物理交聯，使得到的凝膠具有超高的拉伸應變（4 000%～5 000%）及較高的拉伸強度（0.5 MPa）。由于高電荷密度的兩性離子聚合物與導電PEDOT∶PSS鏈之間的協同靜電相互作用，凝膠表現出優異的導電及傳感性能（GF= 2，電導率0.625 S/m）。互穿網絡導電水凝膠在防生物污損、人機交互及醫療監測等方面具有廣泛的應用前景。

1.3 離子導電水凝膠

離子傳導是生物系統中實現生理信號傳遞的關鍵過程[43]。在電場作用下，離子導電水凝膠中的自由離子定向傳輸[44]，與生物體的信號傳遞原理相似；離子導電水凝膠與組織界面阻抗小，力學性能相似，是應用于可穿戴、可植入柔性器件的理想材料[45,46]。

金屬離子既可增強網絡，還能提供導電性[47,48]。本課題組[49]將κ-卡拉膠(κ-CG)與丙烯酰胺、丙烯酸、F127 DA膠束在K+溶液中一鍋法共聚，并與Fe3+絡合，制得三重物理交聯的κ-CG/P(AAm-co-AAc-co-F127 DA)-Fe3+雙網絡水凝膠（圖3（b））。其中，K+輔助κ-CG三螺旋結構，Fe3+與羧基絡合，形成多重非共價交聯，網絡中自由離子的遷移使凝膠具有優異的導電性能及傳感性能（離子電導率1.15 S/m, 應變靈敏度2.8，壓力靈敏度0.33 kPa-1），將其制備成傳感器陣列，可大大降低檢測限，在200 Pa壓力下即可響應[50]。

生物組織中的離子傳輸通道通常具有各向異性結構。將高度有序的納米結構作為離子傳輸通道引入水凝膠網絡，可制備具有仿生離子通道的導電水凝膠。Hu團隊[51]將剛性的木材納米纖維與柔韌的聚丙烯酰胺水凝膠結合，制備了強韌的各向異性木材水凝膠（圖3（c））。納米纖維和聚丙烯酰胺鏈牢固結合交聯，得到木材水凝膠，沿縱向具有高拉伸強度（36 MPa）。帶負電荷的納米纖維可作為納米流體導管，實現了類似于生物肌肉組織的高選擇性離子遷移，離子電導率可達0.05 S/m。

圖3 （a）互穿網絡導電水凝膠[41]；（b）κ-CG/P(AAm-co-AAc-co-F127 DA)-Fe3+金屬離子導電水凝膠[49]；（c）納米纖維作為納米流體導管，輔助高選擇性離子遷移[51]Fig. 3 (a) IPN conductive hydrogel[41]; (b) κ-CG /P(AAm-co-AAc-co-F127 DA)-Fe3+ metal ion conductive hydrogel[49]; (c) Nanofibers act as nanofluid conduits for highly selective ion migration[51]

2 強韌的導電水凝膠

設計和調控水凝膠的導電網絡結構，制備高強韌、高電導率的導電水凝膠，可滿足柔性傳感器在實際應用中抗循環載荷的需求[52]。現有的制備強韌水凝膠的先進策略為開發新型高性能導電水凝膠奠定了基礎。事實上，導電網絡本身也能夠作為能量耗散機制，同步提高水凝膠的強度、韌性和導電、傳感性能。

2.1 導電雙網絡水凝膠

受雙網絡水凝膠概念的啟發，以強韌或柔性網絡作為基質，在其中構建導電聚合物網絡，使導電的第二網絡在第一網絡中分布均勻，兩個網絡之間通過非共價作用相聯系，可獲得優異的強度和韌性。更重要的是，僅需較低的導電高分子含量就可建立聯通的導電網絡，獲得高電導率。加載時，導電網絡隨著水凝膠的形變或載荷而快速響應，表現出優異的響應速率和高靈敏度。例如，將動態交聯殼聚糖（CS）與丙烯酰胺（AAm）單體、苯胺（ANI）單體混合共聚形成雙網絡（DN）水凝膠[53]，網絡間通過羥基、酰胺和苯胺基團之間的氫鍵作用連接，制備的水凝膠表現出優異的力學性能（拉伸強度2.62 MPa，彈性模量253.79 kPa，斷裂能8.67 MJ /m3）和出色的導電性（電導率高達4.83 S/m）。Zhou團隊[54]通過整合離子交聯的瓊脂網絡、共價交聯的丙烯酸（AAc）網絡以及AAc鏈間的動態和可逆離子交聯配位，制備了一種雙網絡瓊脂/AAc-Fe3+水凝膠，該水凝膠斷裂應變達3 174.3%，斷裂強度達0.696 MPa，傳感靈敏度達0.83。由于瓊脂的熱可逆溶膠-凝膠轉變，水凝膠表現出優異的自修復特性，可應用于3D生物打印墨水。

2.2 導電納米復合水凝膠

將導電納米顆粒、納米棒或納米片與水凝膠基質復合，可制備導電納米復合水凝膠，納米顆粒既賦予了水凝膠導電性，又可提高其強度和韌性[47,55]。Wan課題組[16]將導電MXene 納米片復合到聚丙烯酸（PAA） 和無定形碳酸鈣（ACC） 混合網絡中，制備得到MXene-PAA-ACC多功能導電水凝膠。Mxene納米片的多種表面基團（O、F、OH等）都可與PAA和Ca2+的羧基形成超分子相互作用，顯著地提高了水凝膠的拉伸性能、導電性能和自愈性能，在30%～450% 的應變范圍內，靈敏度高達10.7，響應速率快（響應時間20 ms）。

3 組織黏附型導電水凝膠

導電水凝膠傳感器在組織器官運動和健康狀況監測方面有著獨特的優勢。除了導電水凝膠材料和傳感器的力學性能與傳感性能外，器件與組織器官之間的界面是影響其應用的關鍵因素。水凝膠與生物組織的模量、電阻率、含水率等非常類似，將水凝膠牢固地黏附在生物組織上，建立穩定可靠的界面作用，消除界面間隙，降低界面阻抗，是提高柔性可穿戴傳感器的穩定性及靈敏度的內在要求。

受自然界中天然黏附劑的啟發，研究人員已研究出多種制備仿生組織黏附型水凝膠的策略。例如，沙堡蠕蟲的分泌物具有黏附性，主要由6種黏附蛋白組成，其中芳香族氨基酸含有的3,4-二羥基苯丙氨酸（DOPA）在實現水下黏附方面起重要的作用[56]；貽貝可以通過貽貝蛋白黏附在各種基質的表面，起主要作用的是其中含有DOPA的兒茶酚基團[57]。因此，在水凝膠前驅液中引入含有DOPA的化合物，如聚多巴胺（PDA）、單寧酸（TA）等，可制備組織黏附型水凝膠[58-60]。

本課題組[24,61-64]提出了基于聚兩性離子水凝膠的組織黏附型水凝膠傳感器的設想。兩性離子單體和聚合物易形成分子間、分子與其他材料之間的偶極-偶極作用、氫鍵、靜電作用等（圖4（a））。利用兩性離子單體的這一特性，合成了LAPONITE?XLG納米黏土增強的聚兩性離子水凝膠（圖4（b））[62]。兩性離子聚合物吸附在LAPONITE?XLG納米片表面，形成廣泛的物理交聯，增強了水凝膠的拉伸強度和拉伸性能。兩性離子單體的高偶極矩[65]使水凝膠可與多種材料（包括皮膚、玻璃、硅橡膠及丁腈橡膠）黏附，界面黏附強度高（圖4（c））[66]。在水凝膠網絡中，聚兩性離子單元可自組裝形成納米通道[66]，利于離子沿著高度極化骨架傳輸，促進離子傳導，離子電導率可達0.24 S/m，應變靈敏度達到1.8。

將兩性離子SBMA黏附機理與多巴胺黏附機制結合，制備多巴胺修飾的納米復合聚兩性離子水凝膠，可顯著提高水凝膠與組織器官的黏附性能（圖4（d））[64]。水凝膠中的兒茶酚基團在水凝膠-組織界面形成氫鍵、邁克爾加成和席夫堿反應，兩性離子和組織表面的官能團形成氫鍵、靜電作用或動態化學鍵，在心臟、肝臟、肺等器官表面穩定黏附，甚至在水下仍可保持，黏附強度（19.4 kPa）接近或優于醫用蛋白膠（圖4（d））。水凝膠與器官表面建立共形接觸，可用作植入式柔性傳感器，監測組織器官的生理信號及健康狀態。將傳感器與無線通信技術結合，可實現組織器官運動的遠程實時監測（圖5），在較大的應變范圍（0～670%）內具有高應變靈敏度（GF=4.3）。

圖4 （a）兩性離子偶極-偶極作用[65]；（b，c）LAPONITE?XLG納米片與兩性離子復合得到導電納米復合水凝膠[62]；（d）兩性離子SBMA與多巴胺改性的黏土納米片復合得到離子導電水凝膠傳感器[64]Fig. 4 (a) Zwitterion dipole interaction[65]; (b, c) LAPONITE?XLG nanoplates and zwitterion composite to obtain conductive nanocomposite hydrogels[62]; (d) Zwitterionic SBMA was combined with dopamine modified clay nanosheets to obtain ionic conductive hydrogel sensor[64]

圖5 植入式水凝膠傳感器實時監測器官運動Fig. 5 Real-time monitoring of organ movement by implantable hydrogel sensors

4 導電水凝膠傳感器

高性能導電水凝膠為制備柔性、可植入式傳感器奠定了材料基礎。傳感器的傳感性能除了與水凝膠自身結構和性質有關外，也與傳感器結構、構型、種類等密切相關。當前，研究較多的水凝膠傳感器包括電阻式和電容式兩大類。傳感器結構與性能之間的關系得到了初步的研究。為提高傳感性能，國內外學者開發了一系列特殊結構的傳感器，為高性能應用提供了重要的思路。表1總結了基于強韌導電水凝膠（包括水凝膠網絡、導電類型、感測類型、應變系數、電導率和工作范圍）的代表性應力應變傳感器的主要結構和性能。目前，電阻式水凝膠傳感器的電導率和應變傳感靈敏度的關系尚不十分明確。電導率主要與水凝膠中導電網絡的密度或完整性有關，而傳感靈敏度取決于應變過程中導電網絡的變化程度。因此，合理地設計柔性傳感器的網絡結構才能實現對電導率和傳感靈敏度的調控。電容式水凝膠傳感器的靈敏度主要取決于器件在應力應變作用下的電容量變化。通過構筑微結構，可提高應力應變傳感器的靈敏度[67,68]。

表1 基于強韌導電水凝膠的柔性應變和壓力傳感器Table 1 Flexible strain and pressure sensors based on toughening conductive hydrogel

4.1 電阻式應力應變傳感器

導電水凝膠的拉伸應變能力極強。在應變過程中或者在載荷作用下，水凝膠中的導電網絡發生變形，電導率或電阻率相應地發生改變，導電水凝膠傳感器可將受到的外力或發生的變形轉換為電信號，實現傳感[7]。在此過程中，電阻變化率ΔR=|R-R0|/R0，其中R0是初始電阻，R是施加應變的電阻，靈敏度或應變系數定義為（|R-R0|/R0）/ε（其中ε為應變）。

水凝膠傳感器的線性和靈敏度與網絡結構密切相關[82]。研究證實，導電網絡與水凝膠基質的互穿結構有利于實現線性傳感[7]。本課題組[7]在P(AAm-co-HEMA)水凝膠基質中原位聚合制備PANI網絡（圖6）。僅5 g/L的PANI即可形成閾滲網絡，既提供了導電網絡，又顯著提升了水凝膠的強度和韌性。其中，帶正電荷的PANI鏈與P(AAm-co-HEMA)網絡形成了靜電相互作用與氫鍵。因此，即使在非常低的應變（0.3%）下，PANI網絡也會快速響應，表現出非常高的靈敏度（GF=5.7），并在大應變范圍呈線性傳感行為。該水凝膠傳感器可承受數百次拉伸 /卸載循環測試，保持穩定可靠的傳感輸出。

圖6 具有高靈敏度及線性傳感的P(AAm-co-HEMA)- PANI導電水凝膠傳感器[7]Fig. 6 P(AAm-co-HEMA)-PANI conductive hydrogel sensor with high sensitivity and linear sensing[7]

利用3D打印技術對水凝膠傳感器進行微結構設計，例如金字塔微結構、類指紋微結構及類蜂窩微結構等，可以獲得具有高靈敏度、寬線性檢測范圍及低檢測限的微結構水凝膠傳感器。Lai等[83]設計了一種由纖維素納米晶體（CNCs）、共晶溶劑（DESs）及離子交聯聚丙烯酸（PAA）構成的3D打印墨水，利用其打印出一種各向異性的類蜂窩結構水凝膠電阻式傳感器。在較大的應變范圍（0～300%）內，該傳感器的靈敏度高達3.3，在力學性能及傳感性能方面均顯示出各向異性。該傳感器附著在人體上，可以識別人體在經度及緯度上的相應運動，可應用于智能可穿戴電子設備。

4.2 微結構電容式傳感器

將導電水凝膠組裝成（超級）電容器，其電容量隨應力應變刺激而改變，成為電容式傳感器。在電容式傳感器中，將兩層水凝膠夾介電層，組裝成三明治結構[84]，其中，電容量C=εS/4πkD（其中ε是介電層的介電常數，S是導電層的有效面積，k是靜電常數，d是介電層的厚度）。當按壓電容器時，d變小，S增大，使C顯著變大[85]。武培怡課題組[79]使用無定形碳酸鈣納米粒子釋放Ca2+，與海藻酸鹽和聚丙烯酸鏈絡合，構筑物理交聯網絡，制備自愈合的離子導電納米復合水凝膠，再將水凝膠組裝成電容器，得到的電容式水凝膠傳感器對應力（0～1 kPa）表現出幾乎線性的響應，靈敏度0.17 kPa-1。

電容式水凝膠傳感器介電層的幾何結構對傳感性能具有重要的影響。對介電層進行微結構設計，可顯著地提高傳感靈敏度、檢測限及響應速度等。Khademhosseini課題組[86]使用PDMS封裝的金字塔微結構GelMA作為介電層，以PEDOT:PSS為電極，設計了一種獨特的微結構電容式應力傳感器（圖7（a））。與其他平面結構相比，在給定應力下，微金字塔尖端變形更加明顯，靈敏度高出數倍，檢測限低，在0.1 Pa的應力下即可產生電容響應。受指紋結構的啟發，Yan等[87]運用數字光處理3D打印技術，設計了一種類指紋微結構的水凝膠（MH）傳感器（圖7（b）），類指紋微結構不僅增加了抓握物體時的摩擦力，還可放大觸覺效果，增強凝膠的感知能力，甚至對微小氣流產生的氣壓變化也能產生電容響應，傳感靈敏度0.06 kPa-1，響應時間320 ms，檢測范圍寬（26～70 000 Pa），可應用于仿生人體假肢及人機交互技術，智能電子等領域。

圖7 （a）金字塔微結構水凝膠傳感器[86]；（b）類指紋微結構水凝膠傳感器[87]Fig. 7 (a) Pyramid microstructured hydrogel sensor[86]; (b) Fingerprint-like microstructured hydrogel sensor[87]

4.3 基于水凝膠傳感器的電子設備

高性能導電水凝膠及其傳感器[88]為仿生柔性電子設備提供了非常好的基礎[89]。由于人機交互的迅猛發展，迫切需要可拉伸的、生物相容性好的仿生觸摸面板，代替現有的主要基于玻璃、導電和半導體材料的硬而脆的觸摸面板[90]，實現智能設備與人體融合。基于導電水凝膠的柔性面板的可行性已經獲得了驗證。Yin等[91]報道了一種基于聚丙烯酰胺水凝膠和氯化鋰鹽的離子觸摸屏（圖8（a））。利用柔性、可拉伸的聚丙烯酰胺水凝膠作為基質制備柔性電容式面板，能夠承受較大的變形，通過設計電路檢測和計算觸摸過程中表面電容的變化，感知手指觸摸，具有反應靈敏、檢測限低、靈敏度高（靜壓靈敏度0.91 kPa-1）等優勢。水凝膠柔性面板在新型人工智能領域具有重要的應用潛力。

基于水凝膠傳感器基本單元構筑陣列式器件可以實現多通道評估人體生理信號。Chen課題組[92]通過3D打印技術用直徑5 mm的導電水凝膠構建了9×9交叉網格電阻式傳感器陣列，開發出復雜的柔性面板（圖8（b））。該面板對人體皮膚有很強的黏附性，能夠感知多個手指的位置，可以很容易地檢測到陣列上的手指懸停路徑，并按數組準確記錄下來，而且識別過程沒有信號的串擾。該傳感器陣列可以通過電阻變化的實時2D映射精確反映出面板上的應力或溫度分布。

生物體的傳感器具備同時感知不同類型刺激信號的能力，因此，將多功能傳感器集成為高度仿生的智能器件，是未來發展的重要趨勢[5,9,94]。多種器件集成面臨的主要挑戰包括如何整合不同特性的柔性和剛性材料，怎樣開發先進的加工技術來構筑結構和功能可精確操控的智能設備等[95]。利用3D打印可分別構筑各種功能柔性單元，并集成為較復雜的多功能器件（圖8c）[93]。利用混合電路將多個信息感知單元連接成網絡，其中，自供電設備提供電壓，電容式和電阻式傳感器可以模擬人體皮膚的濕度感受器、機械感受器和熱感受器。構筑的多功能傳感器可感知手指觸摸導致的電容變化，呼吸產生的濕氣導致的電壓變化，以及微弱溫度變化導致的電阻變化等。

圖8 （a）離子水凝膠觸摸屏[91]；（b）9×9陣列式傳感器[92]；（c）多傳感器集成的多功能傳感設備[93]Fig. 8 (a) A ionic hydrogel touch screen[91]; (b) 9×9 array sensor[92]; (c) Integrate various sensors into a single device[93]

5 結論與展望

目前，導電網絡結構、器件微納米結構對傳感性能的影響規律仍有待深入研究。需深入研究水凝膠合成和加工的新方法，精確地構筑水凝膠網絡結構，揭示網絡結構與性能之間的關系；構建微納米結構水凝膠器件，研究微納米結構與傳感性能之間的關系，顯著提升水凝膠的傳感性能；深入探索水凝膠傳感器的工作原理，為研究開發具有應用價值的水凝膠傳感器提供依據。

大多數水凝膠材料都存在失水的可能性，導致性能不穩定。水含量高的水凝膠具有各種優異的特性，包括柔韌性、組織相似性以及力學特性。失水的水凝膠將變硬且變脆，靈敏度明顯下降。通過水凝膠的表面改性和溶劑置換的手段可避免水凝膠的水分流失，然而，表面改性會影響導電水凝膠的力學性能，溶劑置換則會改變其電子和傳感性能。對于實際應用而言，柔性傳感器的長期工作穩定性至關重要，值得繼續探索研究。

水凝膠傳感器的檢測功能還比較單一，實現多維度的信號監測可有效推進水凝膠傳感器的實際應用。除了應力應變信號外，人體內部溫度、濕度、pH等生理參數的變化也可有效反映人體健康狀態的變化。因此，開發對溫度、濕度和pH等信號響應速率快、靈敏度高和檢測范圍廣的水凝膠生物傳感器在智能可穿戴、可植入設備領域具有重要的應用前景。

導電水凝膠傳感器和設備單元的集成是重要的發展趨勢。大多數水凝膠難加工，不利于制造多功能集成器件。研究開發新型可加工水凝膠材料和先進加工方法，將多種水凝膠傳感器集成為具有較復雜結構和多重功能的水凝膠柔性電子器件，實現仿生多功能檢測和監測，是非常值得關注的課題。