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　　木材基水凝胶传感器（CPS）结构以及内部交联机理

　　木材基水凝胶三切面电镜图

　　最近，浙江农林大学研究生聂康晨，在沈晓萍、孙庆丰等老师指导下研究发现，在水凝胶的合成中，利用脱木素后木材天然的纤维素排列结构，往往能起到增强力学性能的效果，并且这种木质基水凝胶还拥有木材的各向异性。他们通过引入离子导电聚电解质后发现，这种复合材料便能够同时起到隔膜和聚电解质的作用，可用于研发柔性电容式传感器（CPS），未来在人机界面等方面有很大的应用潜力。相关研究成果发表在国际权威学术期刊《应用材料与界面》上。

　　该项目的主要负责人聂康晨介绍说，以聚丙烯酸（PAA）水凝胶为例，木材纤维素和水凝胶之间主要是通过氢键作用相互连接。PAA前驱溶液渗透到脱木素后木材的丰富孔道中，相互形成很强的三维空间交联，聚合之后又添加了铝离子，能够和PAA发生螯合作用，并且带来了离子导电性能。对比普通PAA水凝胶，在拉伸方面，木质基水凝胶变得非常坚韧，这点很像木材。而木质基水凝胶的压缩性能，也在横向、径向、弦向三个方向大为不同，如同木材的各向异性。

木质基水凝胶的轴向拉伸以及三切面方向压缩性能测试

　　木质基水凝胶三切面方向压缩机理图

　　“我们在研究中发现，由于杨木早晚材处理后孔道数量分布的影响，木质基水凝胶弦切向会拥有更多层次的PAA填充，因此压缩回弹性能更加优秀。”聂康晨说，由于木材自身具有的一些性能，其多种化学键建议起到加强结构的作用。

　　rGO电极表面3D显微镜图和原子力电镜图

　　径切向、弦切向水凝胶切片组装CPS性能图

　　CPS应用场景模拟图

　　此外，师生们还展示了一些CPS的应用场景模拟，以及良好的稳定性测试结果：这种各向异性的木材水凝胶成功地模拟了类似肌肉组织的机械性能和传感功能，与褶皱化rGO一起组装成的CPS拥有高灵敏性，宽量程以及良好的稳定性，开拓了木质基材料在传感器领域的研究思路，在人工智能的各个方面提供了应用潜力。

　　“我们团队的相关研究成果，可以在人工智能的各个领域实现广泛使用作为柔性材料，CPS可以代替传统键盘内部的硬质金属传感电路，制备可折叠键盘；木材水凝胶的尺寸和形状可以根据需求随意裁剪，从而为人工智能机器人制备感应“皮肤”；在各类运动设施，如拳击手套、跑跳板、握力测试等设备上安装CPS，即可得到实时训练数据。”聂康晨说。