导电水凝胶由于与生物组织相似、耐磨性好、信息采集精度高，已成为多功能应变传感器的候选材料。然而，由于缺乏交联结构与性能之间结合机制的研究，制备兼具高灵敏度、显著机械性能、优异的传感稳定性、快速响应和低检测限的水凝胶传感器一直面临重大挑战。此外，由于传统应变传感器在自然条件下的不可降解性和不完全可回收性，电子废弃物逐渐增多。因此，迫切需要开发具有优异机械强度、显著自愈能力、环境可降解和可回收性的导电水凝胶应变传感器来检测微量形变。
华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室陈克复院士团队报告了一种简单的策略，通过分子水平的多重动态交联作用（MMDI）设计了一种自修复、可回收和导电的水凝胶基应变传感器，获得的明胶/DATNFC/Fe3+水凝胶（GDIH）与纯明胶水凝胶相比，拉伸强度和抗压强度显著增加，且有着优异的压缩应力（1310 kPa）、自愈能力和导电性。该水凝胶被开发为多功能应变传感器，具有高应变灵敏度和压缩灵敏度，可用于制造电子皮肤并准确识别检测微小变形引起的电生理信号，具有传感稳定性和快速压缩响应时间（200 ms）。
MMDI水凝胶是通过溶胶-凝胶反应和离子浸入法制备的，无需复杂的分子设计和化学反应，主要由明胶、改性修饰纳米纤维素（DATNFC）和Fe3+组成多重动态交联网络，能够可逆地断裂和重建，提供了凝胶优异的机械性能和优异的自愈能力。与纯明胶相比，拉伸强度和压缩强度分别提高了990.7%和3822.7%。
图1：水凝胶的合成示意图
图2：GDIH水凝胶的机械性能
水凝胶被用作导体来构建导电电路，LED灯泡在不同的压力下显示出不同的亮度，对不同应变具有良好的敏感性和稳定性。归因于离子的迁移，增加的相对电阻变化与拉伸应变成正呈现线性增加。当水凝胶被拉伸时，导电路径的长度变长，导电网络变得松散。离子传输受到限制，导致体电阻增加。由于这种良好的线性关系，校准过程可以简化，从而提高信号精度，确保了检测人体运动、电生理信号和微量形变的可靠性。
图3：GDIH水凝胶的电化学性能
图4：笔迹识别和压力感应表征
综上所述，该研究通过溶胶-凝胶法和离子渗透法两步工艺制备了一种新型纳米复合水凝胶基传感器，表现出显著的机械性能、优异的灵敏度、传感稳定性、自愈性和可回收性，为解决机械强度和传感之间长期存在的困境提供了可行的方案。所开发的应变传感器是一种良好的电子设备，具有大规模生产的潜在商业化潜力，可广泛应用于医疗监测、软机器人和人工智能设备的开发。
上述研究以“A Self-healing, Recyclable and Conductive Gelatin/Nanofibrillated Cellulose/Fe3+ Hydrogels Based on Multi-Dynamic Interactions for Multifunctional Strain Sensors”为题发表在《Materials Horizons》上，第一作者为付浩成博士，通讯作者为该团队的王斌副研究员、李金鹏博士与徐峻教授级高级工程师，该工作得到了国家自然科学基金和“博新计划”等项目的支持。