近年來，水凝膠水凝膠因其在組織工程、材料軟體機(jī)器人和可穿戴電子領(lǐng)域的水凝膠潛力而受到廣泛關(guān)注。但是材料大多數(shù)水凝膠設(shè)備需要依賴外部電源進(jìn)行信號激發(fā)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)笨重，水凝膠限制了其潛力。材料目前業(yè)內(nèi)提出自供電水凝膠的水凝膠解決方案，克服了傳統(tǒng)水凝膠設(shè)備需要外部電源的材料局限性。但大多數(shù)由于反應(yīng)物的水凝膠持續(xù)消耗而壽命短和性能下降，嚴(yán)重阻礙了實(shí)際應(yīng)用。材料
近日，水凝膠美國新澤西理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過材料-結(jié)構(gòu)-工藝-應(yīng)用的材料全鏈條創(chuàng)新，提出了一種高性能雙網(wǎng)絡(luò)壓電水凝膠，水凝膠并賦予其自然啟發(fā)的材料3D形態(tài)與多功能應(yīng)用潛力，為下一代可穿戴生物電子器件提供了新范式。水凝膠研究成果以Nature-inspired helical piezoelectric hydrogels for energy harvesting and self-powered human-machine interfaces為題發(fā)表于Nano Energy。
主要創(chuàng)新點(diǎn)
- 雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：平衡壓電性能與柔性
創(chuàng)新點(diǎn)：提出了一種由柔性纖維素和剛性P(VDF-TrFE)組成的雙網(wǎng)絡(luò)壓電水凝膠（PH），通過共價鍵、氫鍵和偶極相互作用形成三維互穿網(wǎng)絡(luò)。
優(yōu)勢：解決了壓電水凝膠在增強(qiáng)壓電性能時犧牲柔韌性的矛盾，同時實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、高韌性、類皮膚柔韌性和高效機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換。
剛性網(wǎng)絡(luò)提升壓電性能，柔性網(wǎng)絡(luò)保持材料可拉伸性，二者協(xié)同優(yōu)化綜合性能。
- 2. 自然啟發(fā)的3D宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
創(chuàng)新點(diǎn)：受植物卷須啟發(fā)，利用雙層材料的應(yīng)變效應(yīng)，設(shè)計(jì)出自卷曲的螺旋（helix）和環(huán)形（ring）結(jié)構(gòu)。
優(yōu)勢：突破了壓電水凝膠的薄膜形態(tài)限制，實(shí)現(xiàn)可控3D宏觀結(jié)構(gòu)（如螺旋、環(huán)形），適應(yīng)不同可穿戴場景的需求。
通過應(yīng)變控制自組裝過程，無需復(fù)雜模具或后處理。
- 3. 創(chuàng)新應(yīng)用場景拓展
醫(yī)療領(lǐng)域：螺旋PH裝置與起搏器導(dǎo)線集成，從心臟搏動中收集能量，為植入式醫(yī)療設(shè)備供電提供新思路。
人機(jī)交互（HMI）：智能PH環(huán)作為自供電可穿戴設(shè)備，實(shí)現(xiàn)手勢識別與交互，在VR手術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)應(yīng)用潛力。
圖文解析
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圖1：設(shè)計(jì)概念和示意圖
圖2：雙網(wǎng)絡(luò)PH的制造和表征
圖3：PH的機(jī)械-電轉(zhuǎn)換評價。
圖4：螺旋PH裝置用于心臟能量收集
圖5：智能PH環(huán)作為自供電HMI用于VR心臟手術(shù)
論文地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285525001144
