湖南大學王兆龍課題組《Materials Today Physics》：基於3D打印可降解水凝膠的快速可編輯人機界面

水凝膠憑藉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、南方科技大學葛錡教授、航天五院楊東昇研究員合作，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）製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，體系能被完全降解，實現柔性電子的環保無殘留。

具體的溶液製備和加工過程如圖1a-b所示，先將光引髮劑 (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完全固化。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），證明了基於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）

基於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，基於水凝膠的柔性傳感器對於重複的機械運動具有準確靈敏的監測能力，具有廣泛的傳感範圍，從而達成穩定傳感的目的。研究人員主要對手指彎曲、不同頻率的重複運動、吞嚥、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並聯電路的快速轉換。人機界面由基於水凝膠電路的肌電採集系統組成（圖5b），可穩定獲取五個手指的肌電信號，開發的EMG 收集系統能夠對複雜的手勢進行編碼，實現人手控制機械手進行動作，如圖5c-g展示，證明了基於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，基於水凝膠的體系能被完全降解，為可編程和環保可穿戴設備提供了新思路。