近日，机械工程学院何亮团队在Chemical Engineering Journal上在线发表了题为“Enhancing the performance of hydrogel strain/pressure sensors via gradient-entanglement-induced surface wrinkling patterns”的研究论文。硕士研究生王江望为论文第一作者，何亮为论文通讯作者。四川大学机械工程学院为论文第一及通讯作者单位。
相比于传统的刚性器件，柔性传感器具有在大变形（拉伸、弯曲、扭转等）下保持正常工作的能力。具有良好柔性和弹性的导电水凝胶是制造柔性功能器件的一类理想材料，并已在电子皮肤及可穿戴器件、人机界面、机器人和生理监测等领域得到广泛应用。相应地，先进和多样的柔性传感器制造也对导电水凝胶的机械性能和传感性能提出了越来越高的需求。
通常，表面图案化的构筑可以极大提升传感器的表面积，使得导电层在受力时可以产生更多的接触面积和导电路径变化，进而赋予传感器更加优异的传感性能。因此，许多研究工作通过3D打印、激光刻蚀等工艺制造模板并构筑图案，或利用电诱导、化学气相沉积、热发泡、介电诱导等无模板方式来进行图案诱导，在性能上实现了较大提升。然而，这些方法或工艺复杂、或对设备要求高、或时间经济成本高，难以进行规模化制造和应用。
相比之下，利用聚合物的表面不稳定性来诱导表面起皱是一种简便方法，其利用材料内部的模量不匹配来产生内部压应力，迫使表面屈曲形成褶皱以耗散应力。大多数工作采用制备梯度交联水凝胶的策略来实现这一目的，然而密集的交联通常使水凝胶变得硬而脆，不具备作为应变/压力传感器应有的拉伸性和韧性。使用高缠结代替高交联是一种使水凝胶增韧的有效策略，缠结允许分子链之间一定程度的滑移，可以极大地储存势能和缓解应力集中，进而改善力学性能。同时，缠结与交联都是调控水凝胶溶胀率的主要因素，这意味着梯度缠结同样可以产生梯度溶胀率，进而诱导表面图案的形成。
该研究工作设计了一种简便的一步聚合法制备高缠结双网络(GEDN)表面图案化导电水凝胶，并且实现了多种图案形态和图案尺寸的调控。所制备的水凝胶具有优异的拉伸性(681%)、强度(1.01 MPa)和韧性(4.23 MJ/m3)。同时，高缠结低交联和非共价作用的策略使得水凝胶表现出较低的迟滞性。采用这一水凝胶的应变/压力传感器在拉伸(GFmax = 10.96, detection range = 681%, an average response time of 170 ms)和压缩(Smax = 0.17 kPa−1, detection range = 225 kPa, an average response time of 230 ms)两种工作状态下均有良好的传感性能，与常规无图案水凝胶传感器相比有明显提升，并在人体运动检测和文字信息识别等多种应用场合下表现出良好的检测精确度、灵敏度和可重复性。
该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目的资助。
