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Highly Flexible, Stretchable, and Compressible Lignin‐Based Hydrogel Sensors with Frost Resistance for Advanced Bionic Hand Control

材料科学 自愈水凝胶 复合材料 生物高聚物 生物相容性 单体 极限抗拉强度 木质素 纳米技术 聚合物 高分子化学 有机化学 化学 冶金
作者
Jian Yang,Kang Yang,Xingye An,Zeyun Fan,Li Yan,Lingyu Yin,Yinying Long,Gang Pan,Hongbin Liu,Yonghao Ni
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202416916
摘要

Abstract Bio‐based hydrogels, valued for their flexibility, tunable mechanical properties, and biocompatibility, are promising materials for wearable skins and sensing devices in bionic hand control systems. Lignin, a biopolymer rich in functional groups, can be modified into UV‐curable monomers, enabling the development of 3D‐printed hydrogels via photopolymerization. However, the inherent rigidity of lignin's aromatic rings, coupled with covalent cross‐linking between lignin and other monomers, often limits the hydrogel's stretchability (poor strain) and compressibility. Additional challenges, including poor moisture retention and freeze resistance, further hinder their wider application. In this study, a lignin‐based hydrogel is developed with high flexibility, tensile strain (≥350%), compressive strain (≈95%), and fatigue resistance (up to 10 000 cycles under 50% strain, and 200–800 cycles under 95% compressive strain), which is achieved by incorporating glycerol and lithium chloride to facilitate dynamic hydrogen and lithium ion bonds, while accordingly reducing covalent cross‐linking sites between monomers. The enhanced moisture retention and freeze resistance of hydrogels allow effective sensing performance at −40±1 °C. Afterward, using 3D printing technology, wearable tensile strain sensors and ripple‐shaped 3 × 3 Matrix hydrogel pressure sensors are fabricated, which demonstrated uniform stress distribution and improved performance in controlling complex bionic hand movements, underscoring their application in advancing human–machine interfaces.
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