高性能水凝胶传感器研究进展

郑静霞， 陈国旗， 缪玥钥， 杨海龙， 付 俊

（中山大学材料科学与工程学院, 聚合物复合材料及功能材料教育部重点实验室, 广东省功能生物材料工程技术研究中心, 广州市柔性电子材料与可穿戴设备重点实验室, 广州 510006）

柔性传感器在可穿戴设备[1,2]、软机器人[3,4]及电子皮肤[5,6]等领域具有广泛的应用前景。生物体含有不计其数的传感器，将外部刺激转换为生物电信号，传递给神经元与大脑，启发了越来越多的科研工作者对于柔性传感器的研究。聚合物水凝胶是一类生物启发的仿生生物功能材料，由包含大量水的交联亲水性聚合物网络组成[7,8]，其化学性质、网络结构、力学性能及生物功能可灵活调节，模量与天然组织相似，生物相容性好[8]，是制备可穿戴设备、植入式传感器和电子皮肤的理想材料[9]。

导电水凝胶是制备水凝胶柔性传感器的主要材料之一，其导电性能是决定传感性能的关键因素。将导电成分（如：纳米金属、纳米线、液态金属、碳材料或导电聚合物等）和水凝胶网络复合，可制备电子导电水凝胶[10]；在水凝胶中加入盐、酸或离子液体等可获得较高的离子电导率；聚电解质水凝胶也具有较好的离子导电性能。在应力或应变作用下，水凝胶的电导率或电阻率发生变化，表现出传感性能。研究制备新型高强韧导电水凝胶，提高电导率和传感灵敏度，探索其结构与性能之间的关系，获得低检测限、高灵敏度，实现较广泛的检测范围等仍是亟待解决的基础科学问题。

在实际应用中，柔性水凝胶传感器通常要承受周期性的载荷，要求水凝胶具备优异的力学性能，以保持稳定结构和传感性能。高强韧水凝胶[11,12]如双网络水凝胶[13,14]、纳米复合水凝胶[15,16]、胶束交联水凝胶[17]和聚阴阳离子水凝胶[18]等的发展为制备高性能水凝胶传感器奠定了基础。基于这些原理，将导电机制与高强韧水凝胶理念结合，制备了一系列高强韧、抗疲劳和自修复/自愈合的导电水凝胶[19]，有力地推动了水凝胶传感器的发展[7]。

水凝胶柔性传感器在可穿戴或可植入电子设备等领域有重要的应用前景。水凝胶材料与生物组织之间的界面作用至关重要[20]。制备组织黏附性水凝胶，利用亲水-疏水相互作用、金属离子络合、π-π堆积、阳离子-π相互作用及共价键等[21-23]，在凝胶与软组织之间建立良好的器件-组织界面，消除界面阻抗，提高信噪比[24,25]，有利于水凝胶传感器持续稳定地监测组织器官的健康和运动状态。

本课题组在高性能导电水凝胶网络结构设计、结构与传感性能之间的关系、材料-组织界面黏附、组织器官运动监测等方面开展了系统的研究工作（图1）：制备了高拉伸性能、高电导率、高灵敏度的导电水凝胶，揭示了导电网络结构与线性传感性能之间的关系；利用两性离子聚合物链间偶极-偶极作用，制备组织黏附型离子导电水凝胶，实现了器官运动的远程实时监测，为研究植入型水凝胶传感器提供了新思路。结合本课题组研究工作，本文系统地总结和分析基于强韧导电水凝胶的柔性传感器领域的代表性研究进展，介绍网络结构对力学性能、电导率和传感性能的影响；阐述组织黏附型水凝胶传感器的重要思路；探讨多种材料和传感功能集成的新型传感器发展方向；最后，简要总结和展望柔性传感器的发展前景。

图1 高性能水凝胶传感器的网络结构设计与性能研究Fig. 1 Network structure design and performance study of high performance hydrogel sensor

1 导电水凝胶

导电水凝胶根据主要导电原理可分为电子导电水凝胶和离子导电水凝胶（图2）。本节简要介绍导电水凝胶的主要种类和制备方法，并阐述其网络结构与力学性能、导电性能、传感性能之间的关系。

图2 制备导电水凝胶的主要策略Fig. 2 Main strategies for preparing conductive hydrogels

1.1 电子导电水凝胶

电子导电水凝胶一般由导电网络和水凝胶基质组成。导电网络可由导电填料或原位聚合形成的导电聚合物构成；水凝胶充当可拉伸、变形的基质。将预聚的水凝胶网络作为基质或模板，原位聚合导电单体，可形成贯穿水凝胶的导电网络。这些策略与纳米复合水凝胶和双网络水凝胶有一些共同点，例如：碳纳米材料和金属纳米颗粒与水凝胶复合可改善水凝胶的拉伸性，同时赋予水凝胶导电性；在水凝胶网络中原位聚合导电聚合物，得到强韧、抗疲劳的导电水凝胶，该导电水凝胶具有出色的电导率、灵敏度、以及优异的强度、韧性和抗疲劳性能。 / /

导电材料（或导体）包括碳纳米管、石墨烯 氧化石墨烯、金属纳米颗粒 微粒和导电聚合物等，可以直接交联成3D网络，通常具有优异的电导率，如：采用一步水热法制备石墨烯水凝胶[26]：在高压釜中，石墨烯纳米片经180 ℃水热还原12 h，重叠或聚结为物理交联的3D多孔网络石墨烯水凝胶，电导率达0.5 S/m[27]。

将导电聚合物交联，可制备导电水凝胶。植酸能使聚苯胺（PANI）链上的氮原子质子化，并且与多个PANI链形成氢键而交联成3D水凝胶网络[28]，其电导率高达11 S/m[29]。类似地，研究人员开发了多种基于导电聚合物的导电水凝胶[7,30]，如聚（3,4-乙烯二氧噻吩）∶聚（4-苯乙烯磺酸盐）（PEDOT∶PSS）凝胶，含水率高达99.22%（质量分数），电导率46 S/m，并实现了喷墨打印及喷涂制备水凝胶微图案器件。经过浓H2SO4进一步处理之后，其电导率高达880 S/m。Zhao团队[31]将非挥发极性溶剂二甲基亚砜（DMSO）添加到PEDOT∶PSS的混合水溶液中，经干燥退火，使其发生相分离，得到结构分散均匀的纳米纤维互联网络，进一步在水中溶胀，制得具有高电导率及高拉伸性的PEDOT∶PSS水凝胶，可作为导电墨水，打印具有复杂几何形状的图案化电极，应用于生物电子设备[32]。

导体水凝胶通常电导率较高，但力学性能较差。将导电填料与水凝胶复合，可制备具有更高拉伸性和韧性的复合导电水凝胶[33]。氧化石墨烯（GO）纳米片表面含有大量的羟基、环氧基和羧基[34]，可用作交联剂制备导电复合水凝胶[35]。将GO纳米片与聚丙烯酰胺（PAAm）链交联，制备纳米复合水凝胶，断裂伸长率超过3 000%[36]，且具有高弹性。将GO交联与离子络合交联结合[37]，可赋予导电水凝胶自愈合性能。碳纳米管（CNTs）具有高长径比、高强度和优异的导电性，与水凝胶复合，可获得高电导率[38]。将多壁碳纳米管表面氧化[39]或化学修饰[40]，并与PAAm等复合，制备的纳米复合水凝胶既具有优异的力学性能及自愈合性能，又具有较高的应变灵敏度（GF=3.39）和较宽的应变范围（250%～700%）。

1.2 互穿网络导电水凝胶

将导电聚合物与水凝胶单体或前驱溶液混合，引发单体原位聚合，可形成导电网络与凝胶网络互穿的均质导电水凝胶[41]（图3（a））。将甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)与两性离子单体磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯(SBMA)溶解在PEDOT∶PSS水溶液中，光引发聚合形成P(HEMA-co-SBMA)聚合物网络，该网络与PEDOT∶PSS导电网络互穿[42]，得到高强韧的导电水凝胶。在互穿聚合物网络（IPN）内部整合氢键、静电相互作用和链缠结，形成多重物理交联，使得到的凝胶具有超高的拉伸应变（4 000%～5 000%）及较高的拉伸强度（0.5 MPa）。由于高电荷密度的两性离子聚合物与导电PEDOT∶PSS链之间的协同静电相互作用，凝胶表现出优异的导电及传感性能（GF= 2，电导率0.625 S/m）。互穿网络导电水凝胶在防生物污损、人机交互及医疗监测等方面具有广泛的应用前景。

1.3 离子导电水凝胶

离子传导是生物系统中实现生理信号传递的关键过程[43]。在电场作用下，离子导电水凝胶中的自由离子定向传输[44]，与生物体的信号传递原理相似；离子导电水凝胶与组织界面阻抗小，力学性能相似，是应用于可穿戴、可植入柔性器件的理想材料[45,46]。

金属离子既可增强网络，还能提供导电性[47,48]。本课题组[49]将κ-卡拉胶(κ-CG)与丙烯酰胺、丙烯酸、F127 DA胶束在K+溶液中一锅法共聚，并与Fe3+络合，制得三重物理交联的κ-CG/P(AAm-co-AAc-co-F127 DA)-Fe3+双网络水凝胶（图3（b））。其中，K+辅助κ-CG三螺旋结构，Fe3+与羧基络合，形成多重非共价交联，网络中自由离子的迁移使凝胶具有优异的导电性能及传感性能（离子电导率1.15 S/m, 应变灵敏度2.8，压力灵敏度0.33 kPa-1），将其制备成传感器阵列，可大大降低检测限，在200 Pa压力下即可响应[50]。

生物组织中的离子传输通道通常具有各向异性结构。将高度有序的纳米结构作为离子传输通道引入水凝胶网络，可制备具有仿生离子通道的导电水凝胶。Hu团队[51]将刚性的木材纳米纤维与柔韧的聚丙烯酰胺水凝胶结合，制备了强韧的各向异性木材水凝胶（图3（c））。纳米纤维和聚丙烯酰胺链牢固结合交联，得到木材水凝胶，沿纵向具有高拉伸强度（36 MPa）。带负电荷的纳米纤维可作为纳米流体导管，实现了类似于生物肌肉组织的高选择性离子迁移，离子电导率可达0.05 S/m。

图3 （a）互穿网络导电水凝胶[41]；（b）κ-CG/P(AAm-co-AAc-co-F127 DA)-Fe3+金属离子导电水凝胶[49]；（c）纳米纤维作为纳米流体导管，辅助高选择性离子迁移[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 强韧的导电水凝胶

设计和调控水凝胶的导电网络结构，制备高强韧、高电导率的导电水凝胶，可满足柔性传感器在实际应用中抗循环载荷的需求[52]。现有的制备强韧水凝胶的先进策略为开发新型高性能导电水凝胶奠定了基础。事实上，导电网络本身也能够作为能量耗散机制，同步提高水凝胶的强度、韧性和导电、传感性能。

2.1 导电双网络水凝胶

受双网络水凝胶概念的启发，以强韧或柔性网络作为基质，在其中构建导电聚合物网络，使导电的第二网络在第一网络中分布均匀，两个网络之间通过非共价作用相联系，可获得优异的强度和韧性。更重要的是，仅需较低的导电高分子含量就可建立联通的导电网络，获得高电导率。加载时，导电网络随着水凝胶的形变或载荷而快速响应，表现出优异的响应速率和高灵敏度。例如，将动态交联壳聚糖（CS）与丙烯酰胺（AAm）单体、苯胺（ANI）单体混合共聚形成双网络（DN）水凝胶[53]，网络间通过羟基、酰胺和苯胺基团之间的氢键作用连接，制备的水凝胶表现出优异的力学性能（拉伸强度2.62 MPa，弹性模量253.79 kPa，断裂能8.67 MJ /m3）和出色的导电性（电导率高达4.83 S/m）。Zhou团队[54]通过整合离子交联的琼脂网络、共价交联的丙烯酸（AAc）网络以及AAc链间的动态和可逆离子交联配位，制备了一种双网络琼脂/AAc-Fe3+水凝胶，该水凝胶断裂应变达3 174.3%，断裂强度达0.696 MPa，传感灵敏度达0.83。由于琼脂的热可逆溶胶-凝胶转变，水凝胶表现出优异的自修复特性，可应用于3D生物打印墨水。

2.2 导电纳米复合水凝胶

将导电纳米颗粒、纳米棒或纳米片与水凝胶基质复合，可制备导电纳米复合水凝胶，纳米颗粒既赋予了水凝胶导电性，又可提高其强度和韧性[47,55]。Wan课题组[16]将导电MXene 纳米片复合到聚丙烯酸（PAA） 和无定形碳酸钙（ACC） 混合网络中，制备得到MXene-PAA-ACC多功能导电水凝胶。Mxene纳米片的多种表面基团（O、F、OH等）都可与PAA和Ca2+的羧基形成超分子相互作用，显著地提高了水凝胶的拉伸性能、导电性能和自愈性能，在30%～450% 的应变范围内，灵敏度高达10.7，响应速率快（响应时间20 ms）。

3 组织黏附型导电水凝胶

导电水凝胶传感器在组织器官运动和健康状况监测方面有着独特的优势。除了导电水凝胶材料和传感器的力学性能与传感性能外，器件与组织器官之间的界面是影响其应用的关键因素。水凝胶与生物组织的模量、电阻率、含水率等非常类似，将水凝胶牢固地黏附在生物组织上，建立稳定可靠的界面作用，消除界面间隙，降低界面阻抗，是提高柔性可穿戴传感器的稳定性及灵敏度的内在要求。

受自然界中天然黏附剂的启发，研究人员已研究出多种制备仿生组织黏附型水凝胶的策略。例如，沙堡蠕虫的分泌物具有黏附性，主要由6种黏附蛋白组成，其中芳香族氨基酸含有的3,4-二羟基苯丙氨酸（DOPA）在实现水下黏附方面起重要的作用[56]；贻贝可以通过贻贝蛋白黏附在各种基质的表面，起主要作用的是其中含有DOPA的儿茶酚基团[57]。因此，在水凝胶前驱液中引入含有DOPA的化合物，如聚多巴胺（PDA）、单宁酸（TA）等，可制备组织黏附型水凝胶[58-60]。

本课题组[24,61-64]提出了基于聚两性离子水凝胶的组织黏附型水凝胶传感器的设想。两性离子单体和聚合物易形成分子间、分子与其他材料之间的偶极-偶极作用、氢键、静电作用等（图4（a））。利用两性离子单体的这一特性，合成了LAPONITE®XLG纳米黏土增强的聚两性离子水凝胶（图4（b））[62]。两性离子聚合物吸附在LAPONITE®XLG纳米片表面，形成广泛的物理交联，增强了水凝胶的拉伸强度和拉伸性能。两性离子单体的高偶极矩[65]使水凝胶可与多种材料（包括皮肤、玻璃、硅橡胶及丁腈橡胶）黏附，界面黏附强度高（图4（c））[66]。在水凝胶网络中，聚两性离子单元可自组装形成纳米通道[66]，利于离子沿着高度极化骨架传输，促进离子传导，离子电导率可达0.24 S/m，应变灵敏度达到1.8。

将两性离子SBMA黏附机理与多巴胺黏附机制结合，制备多巴胺修饰的纳米复合聚两性离子水凝胶，可显著提高水凝胶与组织器官的黏附性能（图4（d））[64]。水凝胶中的儿茶酚基团在水凝胶-组织界面形成氢键、迈克尔加成和席夫碱反应，两性离子和组织表面的官能团形成氢键、静电作用或动态化学键，在心脏、肝脏、肺等器官表面稳定黏附，甚至在水下仍可保持，黏附强度（19.4 kPa）接近或优于医用蛋白胶（图4（d））。水凝胶与器官表面建立共形接触，可用作植入式柔性传感器，监测组织器官的生理信号及健康状态。将传感器与无线通信技术结合，可实现组织器官运动的远程实时监测（图5），在较大的应变范围（0～670%）内具有高应变灵敏度（GF=4.3）。

图4 （a）两性离子偶极-偶极作用[65]；（b，c）LAPONITE®XLG纳米片与两性离子复合得到导电纳米复合水凝胶[62]；（d）两性离子SBMA与多巴胺改性的黏土纳米片复合得到离子导电水凝胶传感器[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]

图5 植入式水凝胶传感器实时监测器官运动Fig. 5 Real-time monitoring of organ movement by implantable hydrogel sensors

4 导电水凝胶传感器

高性能导电水凝胶为制备柔性、可植入式传感器奠定了材料基础。传感器的传感性能除了与水凝胶自身结构和性质有关外，也与传感器结构、构型、种类等密切相关。当前，研究较多的水凝胶传感器包括电阻式和电容式两大类。传感器结构与性能之间的关系得到了初步的研究。为提高传感性能，国内外学者开发了一系列特殊结构的传感器，为高性能应用提供了重要的思路。表1总结了基于强韧导电水凝胶（包括水凝胶网络、导电类型、感测类型、应变系数、电导率和工作范围）的代表性应力应变传感器的主要结构和性能。目前，电阻式水凝胶传感器的电导率和应变传感灵敏度的关系尚不十分明确。电导率主要与水凝胶中导电网络的密度或完整性有关，而传感灵敏度取决于应变过程中导电网络的变化程度。因此，合理地设计柔性传感器的网络结构才能实现对电导率和传感灵敏度的调控。电容式水凝胶传感器的灵敏度主要取决于器件在应力应变作用下的电容量变化。通过构筑微结构，可提高应力应变传感器的灵敏度[67,68]。

表1 基于强韧导电水凝胶的柔性应变和压力传感器Table 1 Flexible strain and pressure sensors based on toughening conductive hydrogel

4.1 电阻式应力应变传感器

导电水凝胶的拉伸应变能力极强。在应变过程中或者在载荷作用下，水凝胶中的导电网络发生变形，电导率或电阻率相应地发生改变，导电水凝胶传感器可将受到的外力或发生的变形转换为电信号，实现传感[7]。在此过程中，电阻变化率ΔR=|R-R0|/R0，其中R0是初始电阻，R是施加应变的电阻，灵敏度或应变系数定义为（|R-R0|/R0）/ε（其中ε为应变）。

水凝胶传感器的线性和灵敏度与网络结构密切相关[82]。研究证实，导电网络与水凝胶基质的互穿结构有利于实现线性传感[7]。本课题组[7]在P(AAm-co-HEMA)水凝胶基质中原位聚合制备PANI网络（图6）。仅5 g/L的PANI即可形成阈渗网络，既提供了导电网络，又显著提升了水凝胶的强度和韧性。其中，带正电荷的PANI链与P(AAm-co-HEMA)网络形成了静电相互作用与氢键。因此，即使在非常低的应变（0.3%）下，PANI网络也会快速响应，表现出非常高的灵敏度（GF=5.7），并在大应变范围呈线性传感行为。该水凝胶传感器可承受数百次拉伸 /卸载循环测试，保持稳定可靠的传感输出。

图6 具有高灵敏度及线性传感的P(AAm-co-HEMA)- PANI导电水凝胶传感器[7]Fig. 6 P(AAm-co-HEMA)-PANI conductive hydrogel sensor with high sensitivity and linear sensing[7]

利用3D打印技术对水凝胶传感器进行微结构设计，例如金字塔微结构、类指纹微结构及类蜂窝微结构等，可以获得具有高灵敏度、宽线性检测范围及低检测限的微结构水凝胶传感器。Lai等[83]设计了一种由纤维素纳米晶体（CNCs）、共晶溶剂（DESs）及离子交联聚丙烯酸（PAA）构成的3D打印墨水，利用其打印出一种各向异性的类蜂窝结构水凝胶电阻式传感器。在较大的应变范围（0～300%）内，该传感器的灵敏度高达3.3，在力学性能及传感性能方面均显示出各向异性。该传感器附着在人体上，可以识别人体在经度及纬度上的相应运动，可应用于智能可穿戴电子设备。

4.2 微结构电容式传感器

将导电水凝胶组装成（超级）电容器，其电容量随应力应变刺激而改变，成为电容式传感器。在电容式传感器中，将两层水凝胶夹介电层，组装成三明治结构[84]，其中，电容量C=εS/4πkD（其中ε是介电层的介电常数，S是导电层的有效面积，k是静电常数，d是介电层的厚度）。当按压电容器时，d变小，S增大，使C显著变大[85]。武培怡课题组[79]使用无定形碳酸钙纳米粒子释放Ca2+，与海藻酸盐和聚丙烯酸链络合，构筑物理交联网络，制备自愈合的离子导电纳米复合水凝胶，再将水凝胶组装成电容器，得到的电容式水凝胶传感器对应力（0～1 kPa）表现出几乎线性的响应，灵敏度0.17 kPa-1。

电容式水凝胶传感器介电层的几何结构对传感性能具有重要的影响。对介电层进行微结构设计，可显著地提高传感灵敏度、检测限及响应速度等。Khademhosseini课题组[86]使用PDMS封装的金字塔微结构GelMA作为介电层，以PEDOT:PSS为电极，设计了一种独特的微结构电容式应力传感器（图7（a））。与其他平面结构相比，在给定应力下，微金字塔尖端变形更加明显，灵敏度高出数倍，检测限低，在0.1 Pa的应力下即可产生电容响应。受指纹结构的启发，Yan等[87]运用数字光处理3D打印技术，设计了一种类指纹微结构的水凝胶（MH）传感器（图7（b）），类指纹微结构不仅增加了抓握物体时的摩擦力，还可放大触觉效果，增强凝胶的感知能力，甚至对微小气流产生的气压变化也能产生电容响应，传感灵敏度0.06 kPa-1，响应时间320 ms，检测范围宽（26～70 000 Pa），可应用于仿生人体假肢及人机交互技术，智能电子等领域。

图7 （a）金字塔微结构水凝胶传感器[86]；（b）类指纹微结构水凝胶传感器[87]Fig. 7 (a) Pyramid microstructured hydrogel sensor[86]; (b) Fingerprint-like microstructured hydrogel sensor[87]

4.3 基于水凝胶传感器的电子设备

高性能导电水凝胶及其传感器[88]为仿生柔性电子设备提供了非常好的基础[89]。由于人机交互的迅猛发展，迫切需要可拉伸的、生物相容性好的仿生触摸面板，代替现有的主要基于玻璃、导电和半导体材料的硬而脆的触摸面板[90]，实现智能设备与人体融合。基于导电水凝胶的柔性面板的可行性已经获得了验证。Yin等[91]报道了一种基于聚丙烯酰胺水凝胶和氯化锂盐的离子触摸屏（图8（a））。利用柔性、可拉伸的聚丙烯酰胺水凝胶作为基质制备柔性电容式面板，能够承受较大的变形，通过设计电路检测和计算触摸过程中表面电容的变化，感知手指触摸，具有反应灵敏、检测限低、灵敏度高（静压灵敏度0.91 kPa-1）等优势。水凝胶柔性面板在新型人工智能领域具有重要的应用潜力。

基于水凝胶传感器基本单元构筑阵列式器件可以实现多通道评估人体生理信号。Chen课题组[92]通过3D打印技术用直径5 mm的导电水凝胶构建了9×9交叉网格电阻式传感器阵列，开发出复杂的柔性面板（图8（b））。该面板对人体皮肤有很强的黏附性，能够感知多个手指的位置，可以很容易地检测到阵列上的手指悬停路径，并按数组准确记录下来，而且识别过程没有信号的串扰。该传感器阵列可以通过电阻变化的实时2D映射精确反映出面板上的应力或温度分布。

生物体的传感器具备同时感知不同类型刺激信号的能力，因此，将多功能传感器集成为高度仿生的智能器件，是未来发展的重要趋势[5,9,94]。多种器件集成面临的主要挑战包括如何整合不同特性的柔性和刚性材料，怎样开发先进的加工技术来构筑结构和功能可精确操控的智能设备等[95]。利用3D打印可分别构筑各种功能柔性单元，并集成为较复杂的多功能器件（图8c）[93]。利用混合电路将多个信息感知单元连接成网络，其中，自供电设备提供电压，电容式和电阻式传感器可以模拟人体皮肤的湿度感受器、机械感受器和热感受器。构筑的多功能传感器可感知手指触摸导致的电容变化，呼吸产生的湿气导致的电压变化，以及微弱温度变化导致的电阻变化等。

图8 （a）离子水凝胶触摸屏[91]；（b）9×9阵列式传感器[92]；（c）多传感器集成的多功能传感设备[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 结论与展望

目前，导电网络结构、器件微纳米结构对传感性能的影响规律仍有待深入研究。需深入研究水凝胶合成和加工的新方法，精确地构筑水凝胶网络结构，揭示网络结构与性能之间的关系；构建微纳米结构水凝胶器件，研究微纳米结构与传感性能之间的关系，显著提升水凝胶的传感性能；深入探索水凝胶传感器的工作原理，为研究开发具有应用价值的水凝胶传感器提供依据。

大多数水凝胶材料都存在失水的可能性，导致性能不稳定。水含量高的水凝胶具有各种优异的特性，包括柔韧性、组织相似性以及力学特性。失水的水凝胶将变硬且变脆，灵敏度明显下降。通过水凝胶的表面改性和溶剂置换的手段可避免水凝胶的水分流失，然而，表面改性会影响导电水凝胶的力学性能，溶剂置换则会改变其电子和传感性能。对于实际应用而言，柔性传感器的长期工作稳定性至关重要，值得继续探索研究。

水凝胶传感器的检测功能还比较单一，实现多维度的信号监测可有效推进水凝胶传感器的实际应用。除了应力应变信号外，人体内部温度、湿度、pH等生理参数的变化也可有效反映人体健康状态的变化。因此，开发对温度、湿度和pH等信号响应速率快、灵敏度高和检测范围广的水凝胶生物传感器在智能可穿戴、可植入设备领域具有重要的应用前景。

导电水凝胶传感器和设备单元的集成是重要的发展趋势。大多数水凝胶难加工，不利于制造多功能集成器件。研究开发新型可加工水凝胶材料和先进加工方法，将多种水凝胶传感器集成为具有较复杂结构和多重功能的水凝胶柔性电子器件，实现仿生多功能检测和监测，是非常值得关注的课题。