石墨烯是由單層sp2雜化的碳原子構成的具有零帶隙半導體特性的蜂窩狀晶格二維材料，其具有極低的電阻和良好的化學物理穩(wěn)定性，廣泛用于復合材料中的導電介質成分。然而，石墨烯本身的疏水性以及片層間較強的范德華力導致其在水體系中的分散性非常差，因而在凝膠溶液中石墨烯往往會發(fā)生嚴重的團聚現(xiàn)象。盡管目前可以通過使用表面接枝改性、乳化、添加助分散劑等方法改善石墨烯的水體系分散性，但這些方式往往會破壞凝膠內部的非共價鍵網(wǎng)絡或增加石墨烯本身的滲透閾。

還原氧化石墨烯（rGO）是將氧化石墨烯（GO）進行化學還原而得到的一種具有與完美石墨烯性質相似的一類二維材料，其同樣具備優(yōu)良的導電性，并且具有制備過程溫和、工藝廉價等優(yōu)勢，在對導電性能要求不苛刻的傳感領域廣為人們所使用。本章中，我們采用較為綠色的堿熱還原法，通過一步法對GO的PVA溶液進行直接還原，制備得到具有高分散性的rGO/PVA溶液。

生物電是生命體的一種基本生理現(xiàn)象，能夠反映機體各項基礎生理指標，在臨床醫(yī)學測量中被廣泛使用。生物醫(yī)用電極作為核心的測量部件，具有將生物電信號進行放大、采集、傳導等作用，然而生物電信號通常較弱（10-4-10-6V），在絕大多數(shù)情況下需要使用多個電極來同時進行電位采集和分析。因此一般要求電極具有良好且穩(wěn)定的導電性能，以獲得較好的信噪比，同時由于電極要與人體皮膚直接接觸，因此還要求具有較低的接觸電阻，并且需要無毒無害。

本章中所制備的PVA/rGO-Gly凝膠具有優(yōu)異的導電性，且所用原料PVA、甘油、rGO等均具有臨床安全性，此外PVA/rGO-Gly凝膠具備良好的抗剪切性能，能夠減少由于運動而引起的震動干擾問題，因此是一種理想的醫(yī)學電極候選材料。

基于PVA/rGO-Gly凝膠的溫度響應性和電阻響應性，我們結合3D打印技術制備出具有各向異性檢測性能的可穿戴柔性應變傳感器。我們將PVA/rGO-Gly凝膠裝填在外部具有電熱夾套的注射器內，當調整電熱夾套為85oC時，此時凝膠處于粘性流體狀態(tài)，因此可以在螺桿泵的推動下由針頭擠出，進而在三軸平臺的控制下打印出預設的圖案。值得注意的是，由于凝膠具有親水性，因此打印基底需要選擇較為親水的材料以獲得與PVA/rGO-Gly更好的粘附力，保證打印圖案的品質。故在PDMS薄膜上打印時，基底需預先進行O3等離子處理增加親水性。

滲透壓驅動的植物運動過程的啟發(fā)，采用多層級結構設計的思想，實現(xiàn)了銅/液態(tài)金屬復合物（CuGaIn）復雜結構的4D打印。CuGaIn的形變過程主要由雙層打印單元（“二級結構”）在各向異性收縮作用下所實現(xiàn)與調控；而各向異性的收縮作用又源自于Cu/EGaIn/水三元體系中獨特的彈性聚集體“三級結構”。相關研究成果可為金屬4D打印提供全新思路。

為了適應自然環(huán)境，植物進化出了如卷須、花朵、樹葉、藤蔓等能夠進行形狀變化的組織器官，其可以通過接受外部物理、化學信號的刺激，改變特定位置細胞的滲透壓來實現(xiàn)局部的膨脹或收縮，從而實現(xiàn)植物的“運動”。與之類似，一些材料在特定條件下也會產(chǎn)生自發(fā)的形變，它們在智能紡織品、智能機器人、生物醫(yī)療、組織工程等領域中均有潛在的應用。

近年來，科學家們采用形變記憶合金、形狀記憶聚合物、液晶彈性體或是可溶脹水凝膠等材料，并結合3D打印技術，開發(fā)出形狀、性質或功能動態(tài)可變的結構，這一過程也被稱作4D打印。與此同時，4D打印過程中的形變觸發(fā)條件也在早期熱和溶劑的基礎上，增加了電、磁、pH、光以及生物信號等。

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