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  自然界中，哺乳類動物，魚類，蛙類，昆蟲類以及細菌類等生物經過了幾萬年的演化形成了一套特殊的生理結構，其展現(xiàn)的抗凍，抗干燥，自適應等特征能夠保障他們在復雜多變和極端環(huán)境下生存。而對于人類，皮膚作為人體最大的器官通常充當人體內部物理，溫度和濕度保護屏障，并控制著身體與外界的水分交換。同時皮膚中包含大量的神經感知單元可以用來感受諸如壓力，形變，溫度,濕度和疼痛等來自外部環(huán)境的刺激。皮膚的這些功能是通過其內部相應的復雜結構來實現(xiàn)的。例如，其高度抗形變的膠原蛋白和彈性纖維網絡用于承受物理變形；保濕物質如吡咯烷酮羧酸（pyrrolidone carboxylic acid) 用于鎖水；皮下脂肪細胞用于抵御寒冷；多種感知神經元如力學感受器，溫覺感受器及疼痛感受器，可將外部刺激轉化成鉀鈉離子的移動和動作電位在神經細胞中的傳遞。皮膚的這些結構特征為我們設計新型可拉伸電子帶來了啟發(fā)。通過精巧地設計并組合相關電子元器件及彈性體材料，研究人員已成功開發(fā)出諸如電子皮膚（electronic skin）等仿人體皮膚的電子設備，并在可穿戴電子，可穿戴康復機械人和軟體機器人等領域展現(xiàn)了巨大的應用前景。值得注意的，由于仿生皮膚和軟體機器人之間優(yōu)異的機械性能匹配和功能互補，目前已有大量研究精力投入到開發(fā)適合集成到軟體機器人的可拉伸和可穿戴仿生電子皮膚，從而確保更安全，更智能的人機互動和環(huán)境適應性。

  在這些傳感材料中，以離子水凝膠為代表的軟材料，由于其優(yōu)異的生物兼容性，更加接近生物組織的機械和電學特性，近年來收到了大量關注。然而，目前離子水凝膠在低溫環(huán)境容易結冰而失去變形能力和導電性；同時，傳統(tǒng)離子水凝膠通常不具備良好的表面粘附能力， 從而影響其在可穿戴和軟體機械人等大變形應用場景中的使用；此外，傳統(tǒng)離子水凝膠在環(huán)境中易失水的問題也亟待解決。

圖1. 高拉伸，抗凍，環(huán)境穩(wěn)定，強粘附仿生水凝膠離子皮膚（iSkin）的設計思路

  基于上述問題，日前，多倫多大學機械工程系劉新宇教授團隊聯(lián)合麥吉爾大學機械工程系助理教授李劍宇團隊，研發(fā)了一款高拉伸性、強抗凍性、環(huán)境穩(wěn)定性和強表面粘附性的離子凝膠仿生皮膚 （iSkin），成果以《An Antifreezing, Ambient-Stable and Highly Stretchable Ionic Skin with Strong Surface Adhesion for Wearable Sensing and Soft Robotics》為題發(fā)表在材料領域知名期刊Advanced Functional Materials上。該離子仿生皮膚選取了經典雙網絡水凝膠Alginate-PAAm為模型，通過調控甘油和食鹽濃度以置換水凝膠中的自由水，從而優(yōu)化保濕，抗凍和導電性等綜合能力。通過表面旋涂帶正電的橋連聚合物和耦合劑，該水凝膠離子皮膚能和任何具有表面官能團的基底形成化學鍵 ，其中包括人體組織，干燥或者出汗的皮膚表面，表面功能化的滌綸纖維和彈性體等，從而實現(xiàn)干/濕表面的強粘貼 （圖1）。這些屬性賦予了iSkin在極端環(huán)境下在可穿戴傳感以及軟體機器人方面的應用前景。

本文研究亮點：

  1. 增韌機理中，Alginate-PAAm雙網絡水凝膠的韌性和拉伸性對于高濃度的單價鹽離子極其敏感， 本文首次發(fā)現(xiàn)添加甘油能夠解決這一機械性能下降問題。

  2. 粘貼機理中，帶正電橋連聚合物和耦合劑 的粘貼性能對外界離子特別敏感， 本文首次發(fā)現(xiàn)甘油的添加能夠維持這一化學鍵合能力。

  3. 潛在應用中，由于水凝膠獨特的表面粘貼特性和極強的抗凍能力（零下93度)， 本文首次展示了極端環(huán)境下這種離子仿生皮膚在軟體機器人大變形感知方面的應用前景。

實驗結果：

  為展示該材料的潛在應用場景，作者將iSkin粘附在羽絨服的手臂關節(jié)處并可以在低溫下（-10.6攝氏度）監(jiān)測手臂的彎曲與伸展（圖2）。此外，作者將iSkin粘附在膝蓋皮膚表面并進行30分鐘的劇烈運動，展現(xiàn)了iSkin在皮膚干燥、出汗和動態(tài)的行動下具有的粘附性和運動感知能力（圖2）。作者還利用iSkin的應變傳感功能自制智能手套，通過人機交互控制機械手做出了“i love you”的手語動作 （圖2）。

圖2. iSkin應用于低溫可穿戴傳感和人機互動

  在軟體機器人方面，鑲嵌了iSkin傳感器的軟機械器能夠更準確的感知充氣和變形，結合機器學習從而能夠更準確的判斷物品（圖3）。

圖3. iSkin用于軟體機械手的感知。

  此外，鑲嵌了iSkin傳感器的四足軟體機器人能夠在極寒環(huán)境中感知機器人的爬行或者走路狀態(tài) （圖4） 。

圖4. iSkin用于四足軟體爬行機器人的抗凍感知。

  這一特點為今后在極端惡劣條件下軟體機器人的閉環(huán)控制提供了可能。

  論文第一作者應斌斌博士曾在麥吉爾大學和多倫多大學聯(lián)合培養(yǎng)，目前正在麻省理工學院機械工程系從事博士后研究工作。研究方向為ingestible bioelectronics and biosensors。

  多倫多大學劉新宇教授為本文通訊作者。多倫多大學劉新宇教授團隊長期致力于微納和軟體機器人學、柔性電子器件、微流控器件與系統(tǒng)等機理研究以及應用開發(fā)。多倫多大學工程系本科生陳澤元和左潤澤為本文共同第二作者。其他合作作者包括麥吉爾大學助理教授李劍宇。該研究受到了加拿大自然科學和工程研究理事會和加拿大創(chuàng)新基金會的資助。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104665