湖大王兆龍課題組：基于3D打印可降解水凝膠的快速可編輯人機界面

水凝膠憑借著可拉伸的三維高分子網絡結構以及可供離子傳輸的水性環境在可穿戴器件、瞬態電子和人機交互等領域具有廣泛的應用。然而，伴隨著柔性電子領域的快速發展，如何解決大量的柔性電子產品廢棄物成為了挑戰之一。受此啟發，湖南大學王兆龍副教授、段輝高教授與上海交通大學鄭平院士、南方科技大學葛锜教授、航天五院楊東升研究員合作，在《Materials Today Physics》期刊上發表了題為“Ultra-fast programmable human-machine interface enabled by 3D printed degradable conductive hydrogel"的文章。該文章利用面投影光刻技術（nanoArch P140，摩方精密）制備了高精度高拉伸可導電水凝膠樣品及可編輯線路。在特定環境下，體系能被*降解，實現柔性電子的環保無殘留。

圖1 基于面投影微立體光刻3D打印技術的水凝膠。（a）面投影光刻技術原理圖。（b）水凝膠前體溶液組成。（c）前體溶液固化前后展示圖。（d）H2O-H2O、H2O-PG、PG-PG 和 PAM-H2O-PG 的氫鍵相互作用的密度泛函理論分析（DFT）。（e）掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。（f）基于面投影光刻技術制備的高精度海星和雪花樣品。

具體的溶液制備和加工過程如圖1a-b所示，先將光引發劑 (2, 4, 6-三.甲.基.苯甲酰基)苯基次膦酸乙酯(TPO-L)分散在1,2-丙二醇中，得到溶液A。同時，將氯.化.鉀（KCl）、丙烯酰胺（AAm）和聚（乙二醇）二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）加入去離子（DI）水中混合均勻得到溶液B。將溶液A、B混合均勻，超聲處理得到水凝膠前體溶液（圖 1c），在405nm紫外光的照射下能被*固化。三維多孔網絡的微觀結構保證了高拉伸性能，圖2a-c展示了不同成分含量下樣品的拉伸性。研究人員通過單軸拉伸測試探究了不同成分含量對拉伸性能的影響。此外，還探究了電導率的影響因素（圖2d-h），證明了基于高拉伸導電水凝膠器件的低溫工作性能。

圖2 力學與電學性能的探究。（a）拉伸測試。不同含量（b) 丙烯酰胺，（c) 1,2-丙二醇的水凝膠樣品的應力-應變曲線。不同含量（d）氯.化.鉀，（e）丙烯酰胺和（f）1,2-丙二醇的水凝膠樣品的電導率測試。（g）丙烯酰胺和去離子水質量比為3的水凝膠樣品的差示掃描量熱（DSC）曲線。（h）不同溫度下的電導率。（i) 拉伸與導電性能的綜合展示。

水凝膠的可降解的性能由酰胺基和交聯劑的共同水解實現，圖3b展示了六邊形水凝膠樣品的降解過程（pH=13）。通過改變樣品的形狀、厚度或表面積，能夠對其降解速度進行調控。除了幾何參數，水凝膠前體溶液的成分含量、環境的pH值和溫度都會影響降解速率。（圖3c-g）

圖3 降解性能探究。（a）堿性環境中的降解原理圖。（b)六邊形水凝膠樣品在pH值為13的堿性溶液中的降解過程。不同含量（c）丙烯酰胺，（d）PEGDMA和（e）1,2-丙二醇的水凝膠樣品的降解時間測試。（f）不同pH值下的降解時間。（g）不同溫度下的降解時間。

基于高拉伸可降解導電水凝膠的柔性電子具有優異的工作性能，研究人員將其應用在柔性傳感及人機交互等應用中。如圖4a-b所示，基于水凝膠的柔性傳感器對于重復的機械運動具有準確靈敏的監測能力，具有廣泛的傳感范圍，從而達成穩定傳感的目的。研究人員主要對手指彎曲、不同頻率的重復運動、吞咽、發音等動作進行了監測。研究結果如圖4c-i所示。除此之外，研究人員還利用水凝膠器件的可降解性能對瞬態電子及可編輯人機界面應用的可行性進行了探究。圖5a展示了通過降解和修復能夠實現串并聯電路的快速轉換。人機界面由基于水凝膠電路的肌電采集系統組成（圖5b），可穩定獲取五個手指的肌電信號，開發的 EMG 收集系統能夠對復雜的手勢進行編碼，實現人手控制機械手進行動作，如圖5c-g展示，證明了基于3D打印可降解導電水凝膠在快速可編輯人機界面應用的可行性。值得一提的是，基于水凝膠的體系能被*降解，為可編程和環保可穿戴設備提供了新思路。

圖4 基于水凝膠的柔性傳感器監測性能。（a）不同應變下水凝膠應變傳感器相對電阻變化曲線。（b）不同拉伸率下的靈敏度。（c） 手指彎曲，（d）手指不同頻率連續彎曲，（e）肘部連續彎曲，（f）行走期間膝蓋彎曲，（g）吞咽，（h）發聲和（i）恒定壓力下的傳感曲線。

圖5 可編輯電路及人機界面應用。（a）基于水凝膠電路的降解和修復。（b）采集系統工作原理示意圖。（c）所開發的 EMG 采集系統捕獲得到的五個手指 EMG 信號。（d）暴露于堿下的EMG 采集系統捕獲得到的EMG 信號。（e）基于可降解水凝膠的可編程人機界面示意圖。（f）采集得到的不同手勢的信號。（g)快速可編輯人機界面工作展示。

該項研究成果獲得了廣東省重點領域研究發展計劃，湖南省自然科學基金，民用航空航天技術研究項目和中國空間技術研究院空間探索計劃和錢學森實驗室等實驗及研究項目支持。