本研究由日本山梨大学（University of Yamanashi）跨学科研究研究生院的Yingjun An、Haruki Yoshida、Yuxin Jing、Tian Liang及Hidenori Okuzaki等人完成，发表于《Soft Matter》期刊2022年第18卷第36期，文章标题为《Ionic shape memory polymer gels as multifunctional sensors》（离子型形状记忆聚合物凝胶作为多功能传感器）。
该研究属于柔性电子与智能材料交叉领域，旨在解决物联网（IoT，Internet of Things）时代可穿戴传感器所面临的供电与信号放大问题。传统压阻式传感器需要持续电流通过导体，功耗较高；压电电容式传感器虽可检测电容变化，但难以识别变形方向，不适用于运动传感。而压电聚合物与摩擦电传感器虽能实现自供电，但其输出为与机械变形对应的尖峰式电压信号，难以检测缓慢的人体运动和稳态过程。离子聚合物传感器基于“压离子效应”（piezoionic effect），通过离子在变形诱导下的迁移产生电压，但传统离子聚合物-金属复合（IPMC，ionic polymer–metal composite）传感器输出电压常低于1 mV，限制了其在物联网中的应用。为此，该研究将形状记忆聚合物（SMP，shape memory polymer）与离子液体（IL，ionic liquid）复合，制备出一种兼具形状记忆效应与压离子传感功能的新型离子型SMP凝胶，目标是提升输出电压并实现可穿戴多功能传感。
在实验流程方面，研究首先以聚氨酯基形状记忆聚合物（SMP，型号MM-6520，标称玻璃化转变温度Tg为65 °C）为基体，将其溶解于N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）中，形成10 wt%的溶液，并按不同质量比（wil）与离子液体1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰)亚胺（EMI-TFSI）混合。混合液经滴铸后在50 °C下干燥2天，再于200 °C氮气气氛中干燥2小时以完全去除溶剂，制得厚度约300 μm的离子型SMP凝胶膜。实验发现，EMI-TFSI在SMP中具有良好相容性，wil达到25 wt%时凝胶仍均匀透明，进一步提高IL含量会导致IL渗出，表明SMP对IL的最大吸收量约为25 wt%。随后，在凝胶两面旋涂含有10 wt%乙二醇（EG）的PEDOT:PSS水分散液作为电极，并在120 °C下加热30分钟。PEDOT:PSS由作者实验室通过氧化聚合EDOT单体与聚苯乙烯磺酸盐（PSS）制备，EG作为二次掺杂剂用于提高PEDOT:PSS的导电性。
材料表征方面，利用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（FT-IR）确认了SMP与EMI-TFSI在凝胶中的共存且未发生特定化学反应。动态力学分析（DMA）显示，随着wil增加，凝胶在20 °C下的储能模量（E′20 °C）和Tg均显著降低，表明IL在凝胶中起到增塑剂（plasticizer）作用，增强了聚合物链的微布朗运动。由于目标应用为接近人体体温（36 °C）的可穿戴传感器，研究选用wil为25 wt%、Tg为22 °C的离子型SMP凝胶进行后续实验。热机械分析（TMA）通过编程与恢复两个过程评价了形状记忆效应：先将样品加热至70 °C以上，在0.5 MPa恒应力下拉伸并冷却至约10 °C固定临时形状，释放应力后再加热至70 °C使其回复。根据TMA曲线计算形状固定率（Rf）和形状回复率（Rr），纯SMP（wil = 0 wt%）的Rf与Rr分别为99.9%和93.2%；而wil = 25 wt%的离子型SMP凝胶的Rf与Rr分别为72.7%和72.9%，仍保持形状记忆功能，但其降低可归因于EMI-TFSI的增塑作用削弱了固定临时形状与回复原始形状的力。
传感性能测试中，将尺寸为15 mm长、5 mm宽、约300 μm厚的离子型SMP凝胶传感器一端用金电极夹持，另一端由力学试验机施加弯曲变形。实验在36 °C恒温下进行，弯曲位移（d）设置为3、5、7 mm，弯曲速度（v）设置为0.8、1.7、3.3 mm s⁻¹。扫描电镜（SEM）与电子探针显微分析（EPMA）元素分布图像显示，氟元素（来自TFSI⁻）在凝胶截面中均匀分布，而硫元素在表面富集，对应PEDOT:PSS电极层。弯曲实验中，离子型SMP凝胶传感器在d = 7 mm时产生了3.3 mV的开路电压与1.6 nC的电荷，输出电压比传统IPMC传感器高一个数量级。在10 000次重复弯曲循环中，电压与电荷均未出现明显变化或滞后，证明其高稳定性与可重复性。进一步研究发现，电压（V）随弯曲位移（d）线性增加，灵敏度为0.37 V m⁻¹；电荷（Q）随弯曲速度（v）线性增加，灵敏度为0.47 μC s m⁻¹。这一对应关系表明，该传感器能够同时将位移和速度两种不同机械刺激转换为对应的电信号，具有多功能传感能力。
研究将上述压离子效应机制解释如下：初始状态下EMI⁺与TFSI⁻离子在凝胶中均匀分布；弯曲时由于凝胶两侧产生应变差，压缩侧与膨胀侧之间形成浓度梯度，促使解离的离子由压缩侧向膨胀侧迁移。由于EMI⁺的迁移数（t⁺ = 0.63）高于TFSI⁻（t⁻ = 0.37），EMI⁺迁移更快，产生正电荷，随后TFSI⁻迁移产生负电荷。电压产生机制通过净正电荷（q⁺）与净负电荷（q⁻）的不平衡加以解释，总电荷（Q = q⁺ + q⁻）在弯曲变形下储存于凝胶中，成为电压的来源。研究还通过电流-电压曲线测定了凝胶电容C为1.28 mF，并利用公式V_calc = Q/C计算电压，结果与实测V值一致，说明压离子传感器可等效为电容模型（V = Q/C）。由此指出提高传感器输出电压的两种途径：一是增大Q值，即提高阳离子与阴离子迁移数差和凝胶两侧应变差；二是减小C值，即降低wil与离子凝胶介电常数。
在可穿戴应用演示中，离子型SMP凝胶传感器因Tg（22 °C）低于人体温度（约36 °C），其临时扁平形状可在手指上自动回复为初始曲面形状，展示出形状记忆功能与自适应贴合能力。研究者将两个等效的离子型SMP凝胶传感器并联并用100 μm厚聚酯薄膜层压，制成了可穿戴传感器阵列。将阵列贴附于手腕后，在手腕上下摇动时，传感器产生正负交替的电压与电荷，表明其可同时检测弯曲位移与速度的方向和大小。不同于耗电的压阻式传感器，该压离子传感器无需外部电源和放大器即可工作，为物联网中虚拟现实、健康监测和机器人等领域的自供能可穿戴运动传感器提供了新思路。
本研究的亮点在于：首次将形状记忆聚合物与离子液体复合制成兼具形状记忆效应与压离子传感功能的自供能传感器；输出电压达到3.3 mV，较传统离子聚合物传感器显著提高；传感器可同时检测弯曲位移与速度两种机械刺激，并通过位移-电压和速度-电荷的独立线性响应实现多功能传感；通过实验验证了V = Q/C的电容模型，为压离子传感器性能优化提供了理论依据。此外，研究还展示了该材料在自供能可穿戴传感器、运动监测及柔性能量收集等方面的应用潜力，为下一代低功耗柔性电子器件的开发提供了新的材料体系和设计策略。