- 新型纖維素基水凝膠在極端寒冷環境中仍能運作。
- 該水凝膠在低温下保持導電性，解決傳統材料的問題。
- 材料可用於3D打印，並提高皮膚相容性。
- 研究或將推動可穿戴感測器的定製化發展。
可穿戴感測器在極端寒冷環境中的可靠性有望獲得提升，這要歸功於一種新型的纖維素基水凝膠，該材料在暴露於-13°F（約-25°C）七天後仍能持續檢測運動。研究人員利用棉漿纖維素開發出這種柔性材料，將一種豐富的可再生材料轉化為電導水凝膠。這一方法旨在解決傳統水凝膠感測器的一個基本問題：水在其中可能會結冰，導致材料變得僵硬，降低其攜帶離子信號的能力。研究小組使用氯化鋅和溴化鋰鹽的混合物來溶解纖維素，這種組合打破了纖維素緊密堆積的晶體結構，同時保護了所產生的分子鏈不受損壞。
溶解的材料隨後形成了一種名為 HZ0.3L0.7-C3 的透明水凝膠。最終的材料結合了電導性、機械強度以及耐凍性。
水凝膠的性能與應用
研究人員測量了該材料的離子導電率為 4.48 S/m，並且在壓縮應力下可達到 2.48 MPa。在-112°F（約-80°C）至 68°F（約 20°C）之間的測試顯示，與水結晶化相關的放熱峯並未出現，這表明水凝膠中的冰形成受到了抑制。為了進一步測試優化後的材料，研究小組將其置於更長時間的低温測試中。在-13°F 下保持 168 小時後，該水凝膠在手指彎曲和指尖壓力等運動下仍能持續產生可重複的電信號。
這一性能對於可穿戴電子產品至關重要，因為這些產品可能需要在户外、冷藏環境或其他情況下運行，而傳統富水的水凝膠則可能失去靈活性和導電性。
此外，該材料還顯示出剪切稀釋行為，意味著在壓力下能夠流動，並在印刷後保持形狀。這使研究人員能夠將其用作 3D 打印材料，製作出五角星和楓葉等結構。為了直接應用於人體，研究小組為其添加了一層聚多巴胺塗層，以提高皮膚相容性。由該水凝膠製成的感測器可以附著在手指、手腕、手肘和喉嚨上，以檢測運動和壓力。
可穿戴感測器的潛在影響
這種可穿戴感測器的反應時間約為 100 毫秒，恢復時間約為 300 毫秒，並且在 30%應變下能夠穩定地經受 500 次壓縮循環。研究人員在一個數據手套系統中展示了該材料，該系統能夠檢測手部動作並將其轉換為機器人模型上的相應動作，即時進行反應。這為人機界面可能的應用提供了指引，因為這些感測器必須在處理重複變形的同時保持靈活性。纖維素基的材料還賦予了可再生的特性，而鹽基配方則提供了進行電信號傳輸所需的離子，無需依賴傳統的導電聚合物。
研究人員表示，這項研究或許能為可穿戴感測器的定製化提供路徑，並使其在低温環境中保持功能。然而，該材料目前仍處於研究和原型階段，商業部署前仍需進一步測試。
新材料對可穿戴技術的影響
這種新型纖維素基水凝膠的開發標誌著可穿戴技術的一個重要進步，特別是在極端環境下的可靠性。傳統水凝膠在低温下的性能受限，這種新材料的導電性和靈活性使其能夠在多種應用中發揮作用。隨著技術的進一步成熟，這可能會促進個性化和環境適應性強的可穿戴設備的商業化，從而滿足市場對高性能傳感器的需求。