聚合物水凝胶用作水下机器人应变传感器 1 引言 随着科技的进步，水下机器人在探索海洋资源、水下监测、水下救援等领域 的应用日益广泛。作为水下机器人的关键组件，应变传感器在水下环境中的性 能直接影响机器人的可靠性和精度。 近年来，聚合物水凝胶因其独特的柔软性、优良的应变传感性能和机械鲁棒性，成为新一代水下机器人应变传感器的核心元件。本文将综述聚合物水凝胶作为水下机器人应变传感器的最新进展、优势、挑战及未来发展方向。 2聚合物水凝胶的特性 聚合物水凝胶是一种具有三维网络结构的材料，能够在水中吸收并保持大量 水分而不溶解。其独特的柔软性和可拉伸性使得水凝胶在应变传感领域具有显 著优势β].此外，水凝胶还具有良好的生物相容性和环境稳定性，能够在水下环 境中长期保持性能稳定。 3. 聚合物水凝胶作为应变传感器的原理 聚合物水凝胶作为应变传感器的原理主要基于其内部网络的变形。当外部应力作用于水凝胶时，其内部网络会发生形变，导致电阻、电容或电感等电学参数 的变化。通过测量这些电学参数的变化，可以实现对外部应力的实时监测。 4最新进展 近年来，研究者们通过改进材料组成、制备工艺和结构设计，显著提高了聚 合物水凝胶作为水下机器人应变传感器的性能。例如，江西科技师范大学卢宝阳教授团队与南方科技大学刘吉副教授团队合作，开发出一种具有优异抗疲 劳性能的导电聚合物水凝胶。该水凝胶选用医用聚合物聚乙烯醇（PVA)和商 业化的导电聚合物 PEDOT:PSS作为制备材料，通过定向冷冻辅助盐析的策略 （DFS)。 制备有序排列的各向异性抗疲劳PEDOT:PSS-PVA导电聚合物水凝 胶。该水凝胶在1%-300%的应变下具有非常优异的应变－传感性能，并且能够承受各种形式的机械变形和负载，表现出优异的抗疲劳特性。 此外，湖南大学段辉高教授团队提出了一种由 Kirigami 剪纸结构启发的工 程策略，显著提高有机水凝胶应变传感器的应变灵敏度。该团队通过将海藻酸钠纳米纤维和导电 MXene 纳米片引入由甘油－水二元溶剂渗透的聚合物双网络中，制备了具有多重互穿网络结构的有机水凝胶。该水凝胶具有优异的拉 伸性（＞ 5000%)、良好的灵敏度和保水性能（＞30天）。通过3D打印技术设计和制备了Kirigami剪纸结构的水凝胶，进一步增强了传感灵敏度。 5优势与挑战 聚合物水凝胶作为水下机器人应变传感器的优势在于其独特的柔软性、可拉伸性和生物相容性，能够在水下环境中长期保持性能稳定。然而，目前聚合物 水凝胶仍存在一些挑战，如力学性能不足、长期稳定性有待提高等。 此外，如何进一步提高水凝胶的灵敏度和响应速度,以及如何降低制备成本，也 是未来研究需要解决的问题。 6 未来发展方向 未来，聚合物水凝胶作为水下机器人应变传感器的发展方向将主要集中在以下几个方面： 一是通过改进材料组成和制备工艺，进一步提高水凝胶的力学性能和长期稳定性； 二是通过优化结构设计，提高传统水凝胶的灵敏度和响应速度; 三是探索新的应用场景，如深海探测、水下救援和动物追踪等。
