近日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院集成所神經(jīng)工程中心李光林研究員、邰艷龍研究員、朱珊珊博士等人，與中國科學技術(shù)大學李良彬教授、香港城市大學胡金蓮教授合作，以“Anomalous Thermally Expanded Polymer-Networks for Flexible Perceptual Devices”為題, 在Cell雜志的姊妹期刊 Matter（DOI: 10.1016/j.matt.2021.03.010.）上發(fā)表綜述文章。
TOC 基于反常熱膨脹聚合物網(wǎng)絡的柔性感知及交互系統(tǒng)
隨著生物傳感與人工智能及信息技術(shù)的集成，熱響應柔性感知材料與器件在面向國家戰(zhàn)略需求的航空航天和軍事工業(yè)，特別是近年來興起的電子皮膚、人工肌肉、可穿戴醫(yī)療、軟體機器人、混合現(xiàn)實等眾多民用消費電子領域應用前景廣闊。其中，通過聚合物材料反常熱膨脹行為調(diào)控的柔性感知器件研究領域取得巨大進展，但仍缺少全面的理解及系統(tǒng)的總結(jié)；诖，該綜述以差異化感知為突破口，提煉出基于熱膨脹聚合物調(diào)控策略的正、負、各向異性、可調(diào)控和零熱膨脹等系列化、邏輯性、特征感知單元；歸納相應聚合物材料的設計思路及調(diào)控機制；系統(tǒng)總結(jié)感知單元在2D響應傳感器、3D到4D響應致動器，柔性不敏感器件等交互系統(tǒng)中的應用進展。此工作從單一感知單元到整體感知系統(tǒng)，從微觀材料調(diào)控到宏觀器件響應，將對提高此類材料的基本理解和實際應用具有積極指導意義。
圖1 用于柔性感知器件的反常熱膨脹聚合物、感知單元及膨脹機理
高分子材料由于其各尺度結(jié)構(gòu)的變化，包括微觀分子動能、分子間相互作用、構(gòu)型與構(gòu)象轉(zhuǎn)變、相轉(zhuǎn)變，到宏觀如折紙、剪紙結(jié)構(gòu)的變化等，使其具備差異性熱膨脹行為（從正到負的熱膨脹系數(shù)，圖1)。因此，研究不同結(jié)構(gòu)尺度的調(diào)控策略(圖2)對理解作用機理、開發(fā)新材料和進一步探索應用具有重要意義。
圖2 不同尺度的熱膨脹系數(shù)調(diào)控目標及調(diào)控策略
對于構(gòu)筑聚合物超正熱膨脹（如超分子聚合物，~ 980 ppm K-1）、負熱膨脹（如具有DBCOD單元的非晶態(tài)聚合物，~ -2,350 ppm K-1），眾多策略已被提出且直接關(guān)聯(lián)柔性感知（傳感與致動）。然而，在某些特殊條件下要求材料的尺寸/性質(zhì)變化與周圍環(huán)境及時適配，此時，可調(diào)控熱膨脹行為被認為更重要。特別針對太空儀器、精密光學器件或柔性襯底等，具有大熱膨脹系數(shù)的材料會產(chǎn)生危害，而具有零熱膨脹性質(zhì)的材料被重點提煉出（圖3）。
圖3. 聚合物可調(diào)控及零熱膨脹
鑒于以策略調(diào)控出發(fā)新興領域的出現(xiàn)，對聚合物網(wǎng)絡反常熱膨脹（微觀尺度）的研究大大推動了柔性感知與交互器件（宏觀尺度）的發(fā)展。然而，在聚合物超材料上還需更全面、更深入的工作，拉近科學實驗與實際應用間的距離（圖4）。這些典型策略及其應用都將為新材料的出現(xiàn)打開窗口。
圖4. 聚合物反常熱膨脹感知單元及其應用總結(jié)與展望
該工作得到了國家自然科學基金、中國科學院海外人才項目，深圳市科技計劃、深圳先進院創(chuàng)新基金等資助。
全文鏈接 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S259023852100117X?dgcid=coauthor
下載：Anomalous Thermally Expanded Polymer-Networks for Flexible Perceptual Devices
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