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  近年來(lái)，高仿真機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅猛，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可能會(huì)遇到一些火情的隱患，具有阻燃防護(hù)功能的人工皮膚顯示出特定場(chǎng)景下的重要應(yīng)用潛力。同時(shí)，若人工皮膚在對(duì)內(nèi)部器件進(jìn)行保護(hù)的同時(shí)，還可對(duì)所外界高溫刺激進(jìn)行響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)警反饋與動(dòng)作上的有害刺激規(guī)避，則賦予這類人工皮膚更大的應(yīng)用價(jià)值。上�？萍即髮W(xué)凌盛杰課題組和合作者以蠶絲蛋白的高含鹽溶液及石墨烯為基本原料，采用一種高效的氣流輔助靜電紡絲方法，制備出了具有優(yōu)異阻燃效應(yīng)和火情預(yù)警功能的蠶絲納米纖維/石墨烯多功能電子皮膚。近日，該成果以“Electro-Blown Spun Silk/Graphene Nano-Ionotronic Skin for Multifunctional Fire Protection and Alarm”為題，發(fā)表在Advanced Materials期刊上。

  納米纖維材料因其具備的可設(shè)計(jì)行強(qiáng)、透氣性好、可穿戴性能好等特點(diǎn)而在電子皮膚制備中受到廣泛關(guān)注。通常使用的靜電紡絲方法容易受到溶液導(dǎo)電性的影響，從而使得生產(chǎn)效率較難進(jìn)一步提升。因此，研究團(tuán)隊(duì)在電紡絲的基礎(chǔ)上，通過(guò)加入氣流輔助對(duì)紡絲射流進(jìn)行強(qiáng)行糾偏與牽伸，從而實(shí)現(xiàn)了絲蛋白納米纖維的高速制備，其紡絲效率為同等條件下靜電紡絲的5-10倍。同時(shí)，作者選擇了環(huán)境友好、加工性好及物理機(jī)械性能可調(diào)節(jié)的絲蛋白作為主體材料，通過(guò)在紡絲過(guò)程中引入石墨烯和鈣離子實(shí)現(xiàn)材料的環(huán)境響應(yīng)靈敏度與阻燃性的增強(qiáng)。最終可快速制備具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的絲蛋白納米纖維膜（圖1）。

圖1 基于蠶絲蛋白納米纖維的離子導(dǎo)體電子皮膚材料制備

  氣流輔助式電紡絲方法所制備的多級(jí)結(jié)構(gòu)納米纖維膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有良好的濕度響應(yīng)性能，可在濕度誘導(dǎo)下通過(guò)改變纖維膜內(nèi)部纖維之間的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其力學(xué)性能的調(diào)控。同時(shí)，所制備的納米纖維膜在濕度誘導(dǎo)下還可實(shí)現(xiàn)在木片、塑料、紙片等界面的粘附，其黏附牢度與商用雙面膠相當(dāng)（圖2）。

圖2 不同濕度環(huán)境處理下（a）絲蛋白/石墨烯離子導(dǎo)體納米纖維膜的力學(xué)性結(jié)構(gòu)變化能與（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化；（c，d）所制備的納米纖維膜的黏附性能。

  此外，所制備的納米纖維膜顯示出良好的阻燃性能。其在接觸火焰時(shí)無(wú)熔滴、無(wú)二次火焰產(chǎn)生，在離開火焰時(shí)不發(fā)生續(xù)燃。研究者進(jìn)一步對(duì)所制備材料的熱學(xué)性能進(jìn)行了分析，并解釋了其良好的阻燃性歸功于材料在接觸明火時(shí)的水分蒸發(fā)散熱、燃燒氛圍的不燃?xì)怏w稀釋、致密層助燃?xì)怏w隔絕以及引入鹵素的自由基淬滅效應(yīng)（圖3）。

圖3 （a）絲蛋白/石墨烯離子導(dǎo)體納米纖維膜的阻燃性能測(cè)試；（b）材料的阻燃機(jī)理；（c）絲纖維、絲蛋白離子導(dǎo)體、絲蛋白/石墨烯離子導(dǎo)體纖維的TGA曲線；（ｄ）絲蛋白/石墨烯離子導(dǎo)體纖維與（e）絲蛋白纖維的TGA-MS曲線

  根據(jù)所制備的絲蛋白/石墨烯離子導(dǎo)體納米纖維膜良好的阻燃及粘附性能，可將其貼附于物體表面實(shí)現(xiàn)火情下的阻燃防護(hù)（圖4a）。同時(shí)因所制備的納米纖維膜具有的良好的溫濕度變化響應(yīng)性能，可將其接入電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在遇明火時(shí)實(shí)現(xiàn)火情抑制并迅速且穩(wěn)定傳遞出特征信號(hào)，從而達(dá)到防護(hù)與預(yù)警同步的功能（圖4b）。由此開發(fā)了一套具有本地-云端-移動(dòng)終端聯(lián)動(dòng)的火情預(yù)警系統(tǒng)，材料可在接觸火焰后2s內(nèi)迅速觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，實(shí)現(xiàn)三終端同時(shí)報(bào)警的功能（圖4c-d）。此外，可將所制備的電子皮膚集成于機(jī)器人手部，在遇到火情刺激時(shí)激發(fā)機(jī)器人的自我保護(hù)機(jī)制，使其做出撤手等一系列規(guī)避危險(xiǎn)的動(dòng)作（圖4e-f）。

圖4 (a)所制備的材料的阻燃性能；(b)材料遇火時(shí)的電阻信號(hào)響應(yīng)；(c-d)電子皮膚的阻燃及預(yù)警概念及實(shí)現(xiàn)；（e-f）絲蛋白電子皮膚應(yīng)用于機(jī)器手的趨利性自我保護(hù)動(dòng)作激發(fā)

  簡(jiǎn)而言之，該研究采用了一種快速高效的納米纖維離子導(dǎo)體制備方法，結(jié)合電子信號(hào)分析處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，制備了貼敷型的阻燃預(yù)警多功能電子皮膚，為多功能電子皮膚的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

  上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院博士后曹雷濤與2019級(jí)碩士研究生劉強(qiáng)為本文第一作者；通訊作者為上�？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院凌盛杰研究員、塔夫茨大學(xué)（Tufts University）大學(xué)David L. Kaplan教授及東北林業(yè)大學(xué)陳文帥教授。上海科技大學(xué)為第一完成單位。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院合肥大科學(xué)中心“高端用戶培育基金”、上�？萍即髮W(xué)啟動(dòng)資金、博士后面上基金、纖維改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題等基金的資助。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102500