A Wearable Strain Sensor Based on Electroconductive Hydrogel Composites for Human Motion Detection

材料科学 标度系数 纳米纤维素 复合材料 自愈水凝胶 韧性 压阻效应 软机器人 纳米复合材料 执行机构 计算机科学 纤维素 化学工程 高分子化学 医学 替代医学 病理 制作 人工智能 工程类
作者
Stephanie A. Fraser,Werner E. van Zyl
出处
期刊:Macromolecular Materials and Engineering [Wiley]
卷期号:307 (7) 被引量:23
标识
DOI:10.1002/mame.202100973
摘要

Abstract Hydrogels are becoming the default platform for flexible electronic applications—specifically, strain sensors. But the simultaneous realization of compliance, robustness, and strain sensitivity required, using environmentally friendly materials, remains challenging. Here a series of poly(vinyl alcohol) (PVA)‐based biocomposite hydrogels, comprising variable quantities of nanocellulose and sodium alginate formed by freeze/thaw cycling, is reported. The results indicate that a hybrid hydrogel is prepared via the incorporation of conductive polypyrrole/bacterial nanocellulose composite material into the optimized PVA‐based hydrogel matrix (yield strength = 6.0 MPa, elastic modulus = 2.4 MPa, stretchability >384%). The resulting hybrid material exhibits remarkable toughness, nonlinear conformability, and piezoresistivity and demonstrates good strain sensitivity over a considerable range of deformation (<≈200% elongation, maximum gauge factor = 0.96). Moreover, the hybrid hydrogel is assembled into a wearable piezoresistive sensor capable of detecting large‐range human motion with high sensitivity, stability, and repeatability over a few repeated loading cycles. Thus, there is potential for the application of the conductive hybrid hydrogel in flexible electronics, such as wearable devices for health monitoring, soft robotics, and biomedical implants. Furthermore, the implementation of biocompatible polymers and renewable materials, amongst other green design principles, provides scope for the design of sustainable high performance materials.
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