随着人工智能和物联网技术的发展，柔性传感和储能系统引起了人们的广泛关注。基于接触-分离原理的摩擦纳米发电机（TENG）具有结构简单、输出稳定、能量转换效率高等优点，被认为是柔性供能系统的理想选择之一。水凝胶是一种由亲水聚合物链交联而成的具有三维网络结构，良好柔韧性、组织相似性和可拉伸性的典型“软湿”材料，在构建柔性电子器件领域中具有广阔的应用前景方面展现出独特优势。基于水凝胶的摩擦纳米发电机具有良好的拉伸性能，在拉伸、弯曲、折叠等复杂状态下仍然能够正常工作，在柔性可穿戴设备及柔性自供能领域显示出了独特优势。然而，传统的水凝胶力学性能和自粘附性较差，限制了水凝胶在柔性传感器和摩擦纳米发电机中的应用。针对该问题，betway必威中国许建雄教授课题组近年来围绕水凝胶增强增韧、功能化的基本理论以及在柔性可穿戴设备中的应用开展相关研究。该课题组成功开发出了一种Fe³⁺螯合的聚乙烯醇/聚（丙烯酰胺-co-丙烯酸）（PVA/P(AM-co-AA)-Fe³⁺）全物理交联导电双网络水凝胶，并成功构建出高灵敏柔性应变传感器用于人体运动监测和自供电PP-TENG能够为小型电子设备LED、计算器等供能。相关成果“Highly sensitive strain sensor and self-powered triboelectric nanogenerator using a fully physical crosslinked double-network conductive hydrogel”发表在2022年11月的《纳米能源》（Nano Energy）期刊上。论文通讯作者是许建雄教授，第一作者是必威官方首页官网生物医学工程专业2020级硕士研究生罗跃聪。

PVA/P(AM-co-AA)-Fe³⁺双网络水凝胶的合成示意图

以硼砂交联的PVA为作为第一网络，富含羧基和酰胺基团的P(AM-co-AA)作为第二网络，通过Fe³⁺螯合作用，成功开发出了一种Fe³⁺螯合的聚乙烯醇/聚（丙烯酰胺-co-丙烯酸）（PVA/P(AM-co-AA)-Fe³⁺）全物理交联导电双网络水凝胶。该水凝胶具有优异的力学性能（拉伸应力为2.1 MPa，拉伸应变为590%，韧性为6.5 MJ/m³，弹性模量为0.4 MPa）。同时，大量的功能基团使得该水凝胶与各种界面形成氢键作用从而赋予其自粘附性，能够很好地粘附在基体如人体皮肤等表面。基于该水凝胶构建出了高灵敏和稳定性的柔性应变传感器（GF = 2.3），可用于实时监测人体表情变化和肢体运动。以聚酰亚胺（PI）为正摩擦材料，硅胶（Ecoflex）为负摩擦材料，以PVA/P(AM-co-AA)-Fe³⁺双网络水凝胶作为电极构建了可拉伸的摩擦纳米发电机（PP-TENG）。PP-TENG具有优异的电输出性能（开路电压V_oc为238 V，短路电流I_sc为1.2 μA，移动电荷Q_sc为37 nC），可有效地收集机械能为小型电子设备如LED灯、计算器等供电。该多功能水凝胶材料有望为类电子皮肤柔性可穿戴电子传感器件的设计与开发提供思路。

该工作得到了国家自然科学基金（51874129和52174247）、湖南省自然科学基金项目（2021JJ30212、2020JJ4273和2021JJ40178）、湖南省教育厅科学研究基金项目（20B169）、湖南省研究生创新基金（CX20211077和CX20220828）湖南省大学生创新创业培养计划项目（S202211535061）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107955