康復器械用水凝膠自供電傳感器監測應用研究

摘 要：針對老年群體康復器械監測技術中傳感器無法有效適應監測應用問題。設計并分析明膠-單寧酸水凝膠傳感器，從傅里葉變換紅外光譜、電阻應變傳感器等角度進行研究。研究結果表明，水凝膠傳感器具有快速的自愈能力（0.65 s內）和高自愈效率（95%）。水凝膠是一種有效的電解質材料，當與鋅和空氣電極組裝時形成水凝膠電池，作為自供電傳感器可實時監測老年群體健康，且無需外部電源。由于水凝膠的拉伸性，自供電傳感器表現出良好的響應和柔韌性?？蓮V泛應用于老年群體康復器械傳感器監測技術中。

關鍵詞：康復器械；水凝膠；傳感器；監測

中圖分類號：

TQ427.2+6

文獻標志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0072-04

Research on the monitoring application of hydrogel self-powered sensor for rehabilitation equipment

XING Shaona

（Shaanxi Vocational and Technical College of Energy，Xianyang 712000，Shaanxi China）

Abstract：In view of the problem that the sensors in the rehabilitation equipment monitoring technology for the elderly cannot effectively adapt to the monitoring application，gelatin-tannic acid hydrogel sensor was designed and analyzed from the perspective of Fourier transform infrared spectroscopy，resistance strain sensor and so on.The results showed that the hydrogel sensor had a fast self-healing ability （within 0.65 s） and a high self-healing efficiency （95%）.Hydrogel was an effective electrolyte material，which formed a hydrogel battery when assembled with zinc and air electrodes，and could monitor the health of the elderly in real time as a self-powered sensor without external power supply.Due to the tensile property of the hydrogel，the self-powered sensor showed a good response and flexibility.It can be widely used in the sensor monitoring technology of rehabilitation devices for the elderly.

Key words：rehabilitation equipment;hydrogel;sensor;monitoring

在康復器械上安裝一只“眼睛”，也就是傳感器裝置，可以將器械上的所有數據都傳輸到一臺電腦上，這樣就可以更好地判斷出器械上的故障，水凝膠是康復器械應變傳感器的潛在候選材料。開發自動力應變傳感器對老年群體康復器械監測技術具有重要的應用價值。因此，研究開發了一種基于明膠基水凝膠的自動力應變傳感器的簡單方法，通過一定比例簡單地混合明膠和單寧酸（TA），不需要任何修飾步驟或添加其他試劑的水凝膠傳感器。與其他報道的明膠基水凝膠相比，該材料表現出優越的拉伸應變和快速自愈合性能。

1 材料和方法

1.1 材料和儀器

聚乙烯吡咯烷酮（PVP，MW=55 000）、硝酸銀（AgNO3）、明膠（Gel）、單寧酸（TA）、羅丹明B、氯化鈉（NaCl）、硫酸鋅（ZnSO4）、檸檬酸鈉（Na3C6H5O7）和乙二醇（EG）購自上?；び邢薰?。二氧化錳空氣電極和石墨紙購自上海化工有限公司。實驗過程中使用的蒸餾水均為自制。

紫外線-可見光（UV-vis）吸收光譜在室溫下用日立U3900分光光度計記錄。傅里葉變換紅外（FT-IR）光譜在布魯克Hyperion 2000光譜儀上記錄。場發射掃描電子顯微鏡（SEM）圖像利用Zeiss Supra 55儀器獲得。水凝膠電測試在CHI860D進行。zeta電位使用Malvern Zetasizer Nano ZS90在25 ℃下測量。

1.2 水凝膠的制備

制備明膠-單寧酸水凝膠（Gel-TA ），首先將明膠溶液（5 mL，100 mg/mL）加熱到80 ℃，然后加入不同體積的單寧酸（50 mg/mL）溶液。單寧酸與明膠的質量比分別為0.1∶1、0.2∶1、0.3∶1、0.4∶1、0.5∶1、0.6∶1、0.7∶1、0.8∶1和0.9∶1。攪拌2 h后，形成沉淀，收集后用大量的蒸餾水清洗，得到明膠-單寧酸水凝膠。單寧酸與明膠的質量比分別為0.5∶1、0.6∶1、0.7∶1、0.8∶1和0.9∶1時形成的水凝膠，對應表示為Gel-TA 1、Gel-TA 2、Gel-TA 3、Gel-TA 4和Gel-TA 5。

1.3 水凝膠力學性能

為研究水凝膠的拉伸性能，準備了水凝膠樣品（40 mm×10 mm×2 mm），并涂上一層薄薄的硅油，以防止在測試中失水。測試是在一臺拉伸機（WDW-1）上進行的，溫度設定為25 ℃，變形率為50 mm/min。名義拉伸應變是通過拉伸的長度除以原始長度來確定的；名義應力是通過將施加的力除以橫截面積來計算的；試樣的拉伸強度和伸長率是試樣斷裂時的拉伸應力和應變。

1.4 自愈試驗

為了測試水凝膠傳感器自愈特性，將水凝膠切成2塊，端對端地放在空氣中。在愈合過程中，沒有施加任何其他壓力或外部刺激，以進行拉伸測試并計算出愈合效率。為了得到明膠-單寧酸水凝膠，在90 ℃下制備明膠-單寧酸溶液（質量為90%），然后將其轉移到一個硅模具中，在4 ℃下冷卻24 h，得到厚度為2 mm的明膠-單寧酸水凝膠。

2 結果和討論

2.1 康復器械水凝膠傳感器電導率

傳感器的相對電壓變化結果如圖1所示。

由圖1（a）可知，由于康復器械小振動的敏感性，康復器械的電壓變化主要集中在100～123 V。且每隔2 s，電壓呈一個周期，電壓先增大后下降。圖1（b）為當康復器械關節以不同方向彎曲時水凝膠應變傳感器的相對電壓的變化，康復器械彎曲時，電壓在0 s達到100 V，且電壓變化呈先上升后下降趨勢。在11 s時，電壓變化達到最大134 V。電壓相對變化較為穩定，進一步證明水凝膠應變傳感器的傳感可靠性。當水凝膠傳感器通過膠帶連接到康復器械上時，康復器械關節以5、2和1 s等不同時間間隔彎曲時，水凝膠應變傳感器會快速響應。此外，該傳感器可以監測和量化實時應變變化。同時，在監測過程中未觀察到康復器械明顯的損傷，表明水凝膠的應變傳感器具有出色的生物相容性。因此，水凝膠的應變傳感器在粘附到康復器械上時可以很好地運行，這有利于實時監測老年群體健康狀況。

2.2 康復器械水凝膠傳感器拉伸變化

老年群體康復器械監測中，通常采用電阻應變傳感器對老年群體康復器械進行監測，但受器械限制，傳感器經常發生拉伸等現象。且對于水凝膠傳感器來說，變形和電阻之間的關系是可以預測的。假設電阻率和體積保持不變，當水凝膠傳感器被拉伸到一個系數ε（ε=L/L0）時，其電阻R的比例為R=R0ε2，其中R0是水凝膠的初始電阻。

電阻應變傳感器變化結果如圖2所示。

如圖2（a）所示，電阻與拉伸的變化實驗結果與理論線很吻合，而且在自愈后也顯示出類似的趨勢。且根據電路中拉伸載荷試驗的電阻變化，檢測作為傳感材料的明膠和單寧酸水凝膠的應變變化。如圖2（b）所示，當應變從0%增到500%時，與電路相連的LED燈的亮度下降，表明水凝膠傳感器的導電性受到了應變的影響。圖2（c）用于監測老年群體康復器械時，明膠和單寧酸水凝膠傳感器固定在康復器械上時的電阻變化。當康復器械的彎曲度從0°到90°逐漸變化時，水凝膠的相對電阻增加;當康復器械的彎曲度回到0°時，阻力幾乎恢復到原來的值。這些結果表明，由于水凝膠的阻力與伸長率有關，其伸展性使其對外部應變敏感。因此，明膠和單寧酸水凝膠具有用于應變傳感器的潛力。將水凝膠傳感器引入到康復器械中，可以在一定程度上提高對老年群體的監測效果。且可以利用傳感器技術，使康復器械的監測效果更好，并且水凝膠傳感器可以進行彎曲、收縮，且可以降低對老年群體的傷害。

2.3 自供電水凝膠應變傳感器

考慮到水凝膠傳感器的導電性能和傳感性能，研究制作了一個基于柔性水凝膠康復器械電池的自供電應變傳感器系統，該系統可以為監測康復器械電壓與電流提供穩定的性能。將Zn作為陽極，在康復器械的另一側組裝了一個空氣電極（用作陰極），并且以康復器械作為電解質材料形成了一個水凝膠電池。通過將鋅空氣的化學能轉化為電能，所制備的康復器械電池的開路電壓為1.15 V，在串聯時能夠點亮康復器械綠色LED燈泡。進一步表明所制備水凝膠康復器械電池的開路電壓是穩定的，當康復器械在治療老年頸椎時被外力縱向壓縮30%時，其開路電壓僅在1 mV內輕微波動。同時，當康復器械處于不同的拉伸應變下時，沒有觀察到開路電壓的明顯變化，電壓平均值為1.17 V。此外，即使康復器械電池被拉伸到1 000%的伸長率，電壓仍然穩定。這些結果均證明了康復器械水凝膠傳感器的開路電壓對變形的穩定性，結果如圖3所示。

為制造一個自供電康復器械應變傳感器，進一步將康復器械電池與一個固定的電阻Rf相連，從而形成一個閉環。在這個系統中，一個固定電阻被用作信號輸出端，柔性康復器械的電阻變化被轉換為固定電阻的電壓變化。輸出信號（V）被定義為：

V=ERfR+Rf（1）

式中：E是電池的電動勢；R是康復器械的電阻。當康復器械在治療老年群體受到外力刺激時，R發生變化，輸出信號根據式（1）發生變化。因此，當定值電阻Rf等于康復器械的初始內阻（R0）時，輸出信號V0就等于電動勢E的一半，即0.57 V，傳感器的靈敏度可以達到最大。且當康復器械在治療老年腰椎等被縱向壓縮30%時，電壓的輸出信號從0.57 V迅速增加到0.65 V，結果如圖4所示。卸下壓力后，電壓值迅速恢復到原來的水平。電壓的變化可以解釋為當水凝膠傳感器被擠壓時內阻R的減少，輸出信號V的值增加，可以為康復器械水凝膠傳感器提供穩定的電壓，防止電壓過低，導致傳感器無法有效提供穩定的電信號，影響康復器械監測效率。這些結果還表明，所制備的水凝膠傳感器有效地將力學應變轉換為電信號，而不需要任何其他外部電源供應。

為進一步研究可拉伸的柔性水凝膠在老年群體康復器械自供電應變傳感器中的潛在應用，用導電膠帶將水凝膠固定在康復器械上以監測電壓變化。根據式（1），當康復器械被拉伸時，其電阻將增加，水凝膠傳感器的輸出電壓信號將減少。因此，當康復器械伸直時，傳感器的電壓為0.57 V。在康復器械彎曲度為30°、60°和90°時，傳感器的電壓分別下降到0.558、0.547和0.535 V，進一步表明康復器械的彎曲通過電壓變化得到了有效的反應，結果如圖5（a）所示。為進一步驗證水凝膠傳感器的可靠性，進行了康復器械彎曲度為90°和0°的連續循環測試。如圖5（b）所示，8個循環后電壓的變化是一致的，表明康復器械的機電行為已達到穩定狀態。

3 結語

明膠分子和單寧酸之間的氫鍵和疏水作用促成了水凝膠傳感器的形成和相關性能。摻入明膠可有效地提高老年群體康復器械的導電性，可有效地將壓力和拉伸刺激轉換成電阻信號，作為應變傳感器運行，進一步監測老年群體康復器械電壓與電流變化。此外，通過在水凝膠中引入鋅和空氣電極并與一個固定的電阻連接，可以得到一個自供電的康復器械傳感器系統。該裝置通過將鋅-空氣水凝膠電池的化學能轉換為電能，有效地將康復器械拉伸或壓縮引起的電阻變化轉化為電壓輸出信號的變化，而無需外部電源，可應用于實時老年健康監測。且自愈測試和循環測量證實了水凝膠應變傳感器在老年群體康復器械系統的耐用性和可靠性。

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