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  仿生電子皮膚是一種結(jié)合了傳感技術(shù)和機(jī)電轉(zhuǎn)換技術(shù)的電子設(shè)備，能夠模仿人體皮膚保護(hù)肢體、感知和識(shí)別環(huán)境變化。近年來(lái)，以柔性傳感器為主的仿生電子皮膚，因其具有靈敏的機(jī)電轉(zhuǎn)換特性以及優(yōu)異的柔韌性受到研究者的廣泛關(guān)注，其中以導(dǎo)電水凝膠為材料的柔性傳感器憑借同時(shí)具備優(yōu)異的力學(xué)性能（高強(qiáng)度、高延展性、高彈性）、機(jī)電轉(zhuǎn)換性能（高靈敏度、寬應(yīng)變響應(yīng)范圍）和生物相容性等特點(diǎn)，在可穿戴電子設(shè)備，健康監(jiān)測(cè)傳感器、軟體機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)假體以及仿生電子皮膚等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前大多數(shù)柔性傳感器的研究主要集中于單一的功能，如應(yīng)力應(yīng)變、溫度或濕度等，然而，單一的功能性無(wú)法滿足仿生電子皮膚的應(yīng)用需求。此外，皮膚經(jīng)常受到多種刺激的復(fù)合作用，如溫度和壓力的同時(shí)作用。如何同時(shí)響應(yīng)并區(qū)分這些復(fù)合作用仍然是研究的難點(diǎn)。因此，實(shí)現(xiàn)柔性傳感器的多功能一體化，開(kāi)發(fā)具有多種刺激響應(yīng)和識(shí)別能力的仿生電子皮膚，仍面臨很大的挑戰(zhàn)。

  近期，華東師范大學(xué)徐敏教授課題組和潘麗坤教授課題組合作以天然高分子海藻酸鈉為主體，引入帶有相反電性的功能單體（丙烯酸和丙烯酰胺）和無(wú)機(jī)鹽（氯化鈉），成功合成了一種兩性離子型天然高分子導(dǎo)電水凝膠（圖1）。將其應(yīng)用于仿生電子皮膚，不僅能夠?qū)Χ喾N外界環(huán)境刺激具有響應(yīng)性，還能夠?qū)囟群蛻?yīng)力的復(fù)合作用進(jìn)行特異性識(shí)別，在柔性可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

圖1 兩性離子型天然高分子導(dǎo)電水凝膠合成示意圖。(A-E)水凝膠力學(xué)性能圖。

  借助凝膠骨架結(jié)構(gòu)中大量相反電性官能團(tuán)間的動(dòng)態(tài)相互作用，導(dǎo)電水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能（在0.27 MPa條件下，拉伸倍率達(dá)到1480%）。同時(shí)，金屬離子在凝膠結(jié)構(gòu)中的自由遷移為水凝膠提供了優(yōu)異的導(dǎo)電性（2.2 S·m^-1）。憑借水凝膠自身柔韌性和導(dǎo)電性，這種兩性離子型天然高分子導(dǎo)電水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)電轉(zhuǎn)換特性，如圖2 所示（其檢測(cè)應(yīng)變范圍0-1000%，最小應(yīng)力值10 Pa，檢測(cè)頻率2.0 Hz，GF為11，響應(yīng)時(shí)間為100 ms）。以其為仿生電子皮膚，不僅能夠?qū)θ梭w運(yùn)動(dòng)的頻率、幅度和時(shí)間跨度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，而且對(duì)多種外界環(huán)境刺激如溫度、濕度、鹽度、吹風(fēng)、下雨等也都表現(xiàn)出靈敏的響應(yīng)性。

圖2 兩性離子型天然高分子導(dǎo)電水凝膠機(jī)電轉(zhuǎn)換性能

  該水凝膠另一個(gè)重要的特性就是能夠特異識(shí)別溫度和應(yīng)力的復(fù)合作用。由于導(dǎo)電水凝膠對(duì)于溫度刺激存在響應(yīng)滯后的特點(diǎn)，這種滯后現(xiàn)象會(huì)在水凝膠反饋的電信號(hào)上產(chǎn)生顯著差異。利用這一特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)反饋電信號(hào)的波形圖進(jìn)行解析就能夠?qū)囟群蛻?yīng)力的復(fù)合作用準(zhǔn)確識(shí)別，如圖3所示。該工作對(duì)于設(shè)計(jì)具有多種刺激響應(yīng)和特異性識(shí)別的水凝膠仿生電子皮膚提供了新的思路。

圖3 兩性離子型天然高分子導(dǎo)電水凝膠多種刺激響應(yīng)性和特異識(shí)別性（溫度和應(yīng)力）

  該研究成果以“Multiple Stimuli Responsive and Identifiable Zwitterionic Ionic Conductive Hydrogel for Bionic Electronic Skin”為題，發(fā)表于Advanced Electronic Materials DOI：10.1002/aelm.202000239，文章的共同第一作者為華東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院的博士后黃海龍和博士生韓盧，徐敏教授和潘麗坤教授為通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/aelm.202000239