仿生離子皮膚通過模擬人體皮膚表皮層與真皮層之間的微結(jié)構(gòu)來感知外部刺激并將其轉(zhuǎn)化為電信號，在可穿戴電子設(shè)備、軟體機器人和人體生理信號檢測等電子和生物領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有的報道常常采用剛性導(dǎo)電層與柔性基底復(fù)合來制作離子皮膚，由于兩者間楊氏模量的差異使得所制備的器件在耐用性、靈敏度以及制備效率方面大打折扣。水凝膠基的仿生離子皮膚有助于緩解上述問題，但水分的蒸發(fā)降低了器件性能；而且水凝膠的飽水結(jié)構(gòu)難以承受較大的壓力。由此看來，開發(fā)便捷制備、高靈敏度、寬壓力檢測范圍且耐久使用的仿生離子皮膚仍然是目前研究領(lǐng)域亟待解決的難題。
為解決上述問題，華南理工大學(xué)何明輝副研究員和華中科技大學(xué)蘇彬教授在前期開發(fā)的“低共熔溶劑聚合物”（Poly(polymerizable deep eutectic solvent), Poly (PDES)）透明導(dǎo)電材料的基礎(chǔ)上（J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 8475; Chem. Commun., 2018, 54, 2304; ACS Appl. Mater. Inter., 2019, 11, 14313; Chem. Commun., 2020, 56, 2771; J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 5056; Chem. Mater., 2020, 32, 874; J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 4890），調(diào)節(jié)PDES單體在光固化3D打印過程中的體積收縮，在離子皮膚互鎖微結(jié)構(gòu)上自發(fā)形成均勻且尺寸可控的亞微米級突起，增加器件的接觸面積與壓縮空間，從而實現(xiàn)超高的靈敏度（348.28 KPa-1）。此外，柔韌的超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)，加上離子導(dǎo)體內(nèi)無液體特點使得制備的仿生離子皮膚可以承受超寬的壓力檢測范圍（0.6 Pa-2 MPa）和具有優(yōu)異的耐久使用性（在0.35 MPa下可進行45,000次循環(huán)）。
圖1.仿生離子皮膚的制備過程
研究人員制備了丙烯酸/氯化膽堿（AA/ChCl）型PDES單體，作為光固化3D打印墨水的主要組分（如圖1）。調(diào)節(jié)墨水的光引發(fā)劑含量，進而誘導(dǎo)體積收縮，控制離子皮膚表面形成的亞微米突起的尺寸（如圖2）。通過擴大離子皮膚接觸面積，獲得較高的靈敏度。制備的器件感應(yīng)紅豆的微小壓力刺激時，分別具有20 ms及40 ms的快速響應(yīng)與恢復(fù)時間，優(yōu)異的傳感性能可以與人體皮膚相媲美（如圖3e-f）。
圖2.3D打印仿生離子皮膚的光學(xué)照片及其亞微米級突起的微觀表征
圖3.高靈敏度寬壓力范圍仿生離子皮膚的響應(yīng)與恢復(fù)時間及其機械耐久性測試
高靈敏度仿生離子皮膚可組裝成視覺壓力傳感器，根據(jù)承受壓力的大小顯示不同的顏色，從而通過視覺觀察即可獲取相應(yīng)的壓力值（如圖4）。此外，由于該器件可以檢測十分微小的壓力，還可將其設(shè)計為人體脈搏信號檢測器（如圖5a-b），外接電壓即可將人體脈搏跳動轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定變化的電信號。針對該離子皮膚也可承受高壓力的優(yōu)點，研究人員還將其設(shè)計為真空壓力設(shè)備的氣壓監(jiān)測器。將兩個由該皮膚組裝的視覺壓力傳感器安裝在真空干燥箱的上下壁，當(dāng)視覺壓力傳感器檢測到不同的氣壓時，會產(chǎn)生不一致的顏色，意味著真空干燥箱無法有效密封。這些出色的結(jié)果表明，基于Poly(PDES)的3D打印仿生離子皮膚憑借其超高的靈敏度和超寬的壓力范圍將在智能監(jiān)控領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價值。
圖4.仿生離子皮膚作為視覺壓力傳感設(shè)備
圖5.高靈敏度仿生離子皮膚的多功能應(yīng)用
以上相關(guān)成果以“ Three-dimensional Printed Ultrahighly Sensitive Bioinspired Ionic Skin Based on Submicrometer-Scale Structures by Polymerization Shrinkage”為題發(fā)表在Chemistry of materials。論文的第一作者為華南理工大學(xué)博士生蔡玲，共同第一作者為華南理工大學(xué)陳廣學(xué)教授，通訊作者為華南理工大學(xué)何明輝副研究員和華中科技大學(xué)蘇彬教授。
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c04581
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