近年來，水凝膠因其良好的生物相容性、力學(xué)柔韌性和環(huán)境友好等特點在可穿戴集成電子器件方面顯示出巨大的優(yōu)勢。但是，目前報道的水凝膠傳感器很難同時兼?zhèn)涓呃臁⒏呙舾卸纫蜃?(gauge factor)?和低溫自愈合等特性，同時水凝膠極易在室溫條件下失水，導(dǎo)致粘附性喪失和電學(xué)響應(yīng)性能降低，這對水凝膠柔性可穿戴器件提出了新的挑戰(zhàn)。此外，目前報道的水凝膠溫度傳感器由于高溫條件下失水加劇，很難表現(xiàn)出寬溫度響應(yīng)區(qū)間、高電阻-溫度系數(shù)（TCR）以及良好的溫度傳感可重復(fù)性。
針對目前水凝膠柔性傳感器存在的敏感度因子低、低溫自愈合效率差、室溫失水嚴(yán)重和難以檢測人體溫度等缺點，基于之前的研究工作（Adv.?Funct. Mater.?2018, 28, 1802576;?J. Mater. Chem. A?2019, 7, 5949-5956;?Adv. Mater.,?2017, 29, 1606411;?ACS Nano, 2018, 12, 56-62），南京工業(yè)大學(xué)董曉臣教授課題組通過人體肌肉纖維納米材料仿生設(shè)計，在高分子水凝膠中引入聚苯胺納米纖維?(PANI NFs)和甘油，制備了高敏感度因子、可低溫自愈合、高保水抗蒸發(fā)和高電阻-溫度系數(shù)的多功能水凝膠傳感器，傳感器可用于柔性觸摸板及“人工發(fā)燒-退燒指示劑”等領(lǐng)域。
Figure 1. 肌肉纖維仿生增強(qiáng)水凝膠可拉伸性；纖維狀神經(jīng)細(xì)胞對刺激信號的“感知-傳輸-處理”機(jī)制；纖維狀PANI NFs的SEM圖；水凝膠組成及各組分間的相互作用。
通過人體肌肉纖維仿生設(shè)計，PANI NFs力學(xué)增強(qiáng)水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的雙軸面積延伸率（1500%）、快速鑄模成型及高拉伸性和高導(dǎo)電性。
Figure 2. PPBN-水凝膠自愈合性能與自愈合時間和次數(shù)的關(guān)系；PPBN-水凝膠在冷凍條件下（-26℃）的自愈合能力；PUN-和PPBN-組成的異質(zhì)水凝膠自愈合性能；自愈合機(jī)理。
首先，該基于甘油/水二元溶液水凝膠前驅(qū)體體系中，甘油可以抑制低溫條件下冰晶的形成，確保高分子鏈在低溫下具有良好的運動能力；其次，PANI NFs之間的氫鍵作用、PANI NFs與甘油之間的氫鍵作用、PAA與Fe3+之間的配位螯合作用、PANI與PAA之間的靜電相互作用確保該水凝膠低溫下具備良好的自愈合能力。
加熱條件下，PANI?NFs納米纖維界面會之間發(fā)生carrier?hopping，具有較高的溫度膨脹系數(shù)，使得該水凝膠傳感器可用于溫度傳感，其電阻-溫度系數(shù)（-0.016 °C?1）遠(yuǎn)高于已報道柔性可拉伸溫度傳感器；同時該傳感器表現(xiàn)出較快的溫度響應(yīng)和熱源-距離依賴性。
Figure 4. 水凝膠溫度傳感器用于“artificial fever indicator”。
為進(jìn)一步探究該水凝膠溫度傳感器的實際應(yīng)用性能，董曉臣教授帶領(lǐng)團(tuán)隊進(jìn)一步將溫度傳感器制成“artificial fever indicator”，研究了其對模擬“人工發(fā)燒-退燒”過程的溫度響應(yīng)性能。
該研究成果以題為“Muscle-Inspired Self-Healing Hydrogels for Strain and Temperature Sensor”發(fā)布在國際著名期刊ACS?Nano(DOI: 10.1021/acsnano.9b07874)上。
