水凝胶由富含水的聚合物网络组成，当与电解质盐混合时，可以用作理想的离子导体。离子水凝胶因其固有的拉伸和透明能力以及优异的加工性和生物相容性而受到广泛关注，并被用作电子和生物系统之间的生物电子桥。然而，与合成生物组织、固体凝胶电解质、柔性生物电子主链等“静态”成分相比，用作电阻应变传感器等传感元件的离子水凝胶仍然存在争议。阻碍离子水凝胶发展的最重要障碍之一是其适度的电响应，防止应变引起的劣化导电性像电子导体一样获得高灵敏度，并且还防止它们充当应变不敏感电阻以保持稳定的电传输。为了满足实际要求，需要一种通用的方法来增强和调整基于离子水凝胶的应变传感器（IHSS）的灵敏度。

　　到目前为止，离子电导率已经被调整以提高离子水凝胶的GF。离子水凝胶的电导率可以通过增加离子浓度和离子电荷的值直接受到影响。还报道了纳米结构的离子调制能力的产生和水凝胶网络中离子迁移促进的离子富集环境。然而，与电子导电应变传感器相比，增加离子电导率以增加GF的益处是最小的。这是因为构建离子传输通道、改变离子种类或产生富含离子的环境只能降低水凝胶的初始电阻。导电性由于其固有的软链网络而保持应变独立性，而软链网络在伸长过程中不能调节离子传输行为。因此，它们的灵敏度受R/R0=λ2（λ=L/L0）的约束。

　　1. 本工作提出了一种通过几何诱导的应变浓度来调节离子传输行为的策略，以调整和提高基于离子水凝胶的应变传感器（IHSS）的灵敏度。

　　2. 受道路变窄时车辆减速和变道现象的启发，离子水凝胶的应变再分配通过结构和机械参数进行优化，以产生应变诱导的电阻增强。

　　3. IHSS的规范因子在0–100%的应变范围内从1.31到9.21是连续可调的，这突破了均匀应变分布离子水凝胶的理论极限，同时确保了线性机电响应。

　　图1. IHSS的可调GF是基于漏斗结构和TPU增强引起的应变集中。a） 道路狭窄激发了IHSS可调GF的几何诱导应变集中的工作机制。离子水凝胶含有交联聚合物网络和富含离子的水。拉伸导致交联网络中的链运动，宏观上表现为均匀的横向收缩和纵向伸长，遵循泊松比。“道路狭窄”效应是由几何构型变化的非均质系统中的应变集中引起的。b） 应变ε0下均匀结构的离子水凝胶的示意图；漏斗形离子水凝胶，L表示狭窄区域的宽度，εi是局部应变，以及TPU增强的漏斗形离子凝胶。基于有限元模型对均质、漏斗形和TPU增强漏斗形结构的应变分布进行了分析。在应变ε0下，均匀传感器的GFhomo取决于两端测量的电阻。相反，漏斗形传感器的GFheo取决于在每个部分测量的电阻。

　　图2. 具有均匀和非均匀结构的离子水凝胶及其应变分布。a） 通过有限元分析确定的漏斗形水凝胶的应变分布，L=30 mm、20、15、10、5和2 mm，ε0=10%。b） 漏斗形离子水凝胶的L变化和ΔA/A0的变化，其中ε0=10%。插图显示了狭窄中央部分的正面图和剖面图。c） TPU与NaCl的比例为1:2、1:4、1:6和1:8，ε0=10%的TPU增强漏斗状水凝胶的狭窄中心截面的应变分布。比较了具有或不具有TPU增强的漏斗形状的水凝胶。d） 均匀、漏斗形和TPU增强的漏斗形水凝胶膜沿虚线. 均匀和非均匀PVA10-G30-FeCl3水凝胶的相关性能和GF范围的测试。a） 不同离子浓度下的均匀水凝胶导电性。b、 c）具有不同离子浓度的100%应变下的均匀水凝胶的GF。插图显示了拉伸水凝胶的图表，比例尺：1厘米。GF不能通过增加离子浓度来突破理论极限。d） 漏斗状PVA10-G30-FeCl3水凝胶的狭窄中心部分的局部应变，作为总应变是100%。e、 f）漏斗形PVA10-G30-FeCl3水凝胶在100%应变下的GF。比例尺：1厘米。漏斗结构诱导的应变集中产生了更显著的“窄路”效应，突破了TPU增强PVA10-G30-FeCl3水凝胶的GF.g）杨氏模量的理论值。h、 i）TPU增强的漏斗形PVA10-G30-FeCl3水凝胶在100%应变下的GF。比例尺：1厘米。TPU的局部增强使应变更加集中，GF在原有漏斗结构的基础上进一步增加。

　　图4. TPU增强漏斗形IHSS的水凝胶-弹性体界面拉伸试验和传感能力。a） 水凝胶-TPU界面观察到的每个宽度的剥离力。砂纸被用来增加弹性体的表面粗糙度。该比例显示了TPU与NaCl的质量比例。水凝胶溶液的渗透性、多孔TPU的孔隙率和界面结合都随着NaCl用量的增加而增加。插图显示，水凝胶本体在剥离测试过程中发生内聚失效，在TPU基底上留下一层薄薄的水凝胶残余层。b） 水凝胶-弹性体界面观察到的每个宽度的剥离力。类似的技术被用于制造多孔PDMS，该PDMS与水凝胶结合以产生机械互锁。c） TPU增强漏斗形IHSS的响应和恢复时间。d） TPU增强漏斗形IHSS在10%-100%应变下的循环稳定性测试。e） TPU增强的（1:2）漏斗形IHSS和TPU增强（1:6）漏斗形的IHSS分别产生了最大应变下的最大GF和100%应变时的最大GF。f） 本研究中的GF与先前报道的IHSS之间的比较。

　　图5. TPU增强漏斗形IHSS的应用。a） 通过将传感器固定在口罩上进行呼吸检测。b） 通过将传感器连接到手腕，实时监测桡动脉脉搏。每个桡动脉脉冲波形包含“P1”、“P2”和“P3”峰值。c） 手势识别用于交流。d） 正交排列的传感器的照片。当它在不同方向上拉伸时，可以检测到与方向相关的信号。e） 正交排列的传感器的各向异性响应。两个阻力变化率之间的差值大小（Rh−Rv）可用于确定力的方向。f） 两个手指爪和机器人手臂的照片。爪可以实现打开和关闭运动，机械臂的每个自由度都可以根据不同拉伸方向产生的Rh−Rv的正负信号向前或向后旋转。g） 3×3应变传感器阵列的结构示意图。将Ag纳米线涂覆在多孔TPU层上作为电极。h） 3×3应变传感器阵列的照片。i） 阵列的点触摸功能在每个传感器被触摸时表现出电阻的正变化。j） 同时检测三指、四指和五指触摸，展示多点触摸功能。