摔碎的手機屏幕能否像受傷的皮膚一樣在短時間內(nèi)恢復(fù)如初呢？自愈合材料的提出和蓬勃發(fā)展使其成為可能；谧杂喜牧系娜嵝噪娮悠骷谌嗽炱つw，軟體機器人和制動器等領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注。因為他們不僅具有類似生物系統(tǒng)的順應(yīng)性，且在受到意外損傷時能夠很快恢復(fù)其形態(tài)和功能，從而大大提高了器件的使用壽命，使用安全性和經(jīng)濟效益。然而，大部分自愈合材料的性能受到溫度影響，在低溫下變硬，變脆，甚至完全失效，使其應(yīng)用止步于高緯度和嚴寒地區(qū)。
針對這一問題，北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟研究員團隊通過利用Li+的高水合能調(diào)節(jié)水凝膠材料在低溫下的高分子鏈擴散能力和動態(tài)相互作用，制備了一種在超低溫環(huán)境(-80℃)下具有穩(wěn)定自愈合性能的多功能離子水凝膠(SSIH)。通過系統(tǒng)優(yōu)化，該離子水凝膠可實現(xiàn)在受損后10分鐘內(nèi)的快速自愈合、愈合后的材料可承受超過7000%以上的大變形，11.76 S/cm的穩(wěn)定電導(dǎo)率和長達到13個月的綜合性能穩(wěn)定性。特別是，即使在-80℃的極端低溫環(huán)境下，這些實用性能也能很好地保持，這為目前水凝膠基的自愈材料在零攝氏度下由于水分和聚合物鏈段凍結(jié)而失效的問題提供了可行的解決方案。
在這項工作中，李舟研究員團隊通過仿生有髓軸突的結(jié)構(gòu)和信號傳輸功能，展示了一種基于 SSIH 的人工神經(jīng)纖維 (SSANF)，用于實現(xiàn)高保真和高通量的信息交互。將該人工神經(jīng)纖維集成到多功能機器人時，SSANF展示了它在實時集成信號傳遞中的用途。克服了傳統(tǒng)金屬導(dǎo)線無法拉伸和易拉斷的缺陷，SSANF在反復(fù)大變形下可保持穩(wěn)定的傳輸性能，這使全柔性集成系統(tǒng)成為可能；谠摱喙δ茈x子水凝膠的仿生器件將使仿生智能機器人更接近模擬復(fù)雜的生物系統(tǒng)，為機器人在極端條件下完成無人任務(wù)開辟更廣闊的應(yīng)用場景。
圖 1. SSIH的設(shè)計原理。(a) SSIH的設(shè)計過程以及自愈能力和超拉伸性的原理。(b) SSIH 中的動態(tài)相互作用。(c) 隨著LiCl的增加，SSIH的抗凍能力和柔韌性更好。(d，e) 隨著 LiCl 含量的增加，SSIH 的斷裂伸長率增加到原始長度的約 70 倍,抗拉強度呈下降趨勢，電導(dǎo)率呈現(xiàn)增長趨勢。
圖 2. SSIH 的自愈性能。(a) SSIH的自愈機制。(b) 用光學(xué)顯微鏡觀察受損SSIHs的自愈過程,5min受損部位完全愈合，10min受損部位完全小時。(c) 兩片不同時間制備的 SSIH 的自愈性能。(d) SSIH在原始狀態(tài)和不同愈合時間后(RT)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插圖是愈合5min后拉伸狀態(tài)下的愈合部位照片。(e) SSIHs在原始狀態(tài)愈合30 min (不同低溫下)后的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
圖 3. SSIH 的導(dǎo)電性能。 (a~c) SSIH在30℃到-80℃/10℃的EIS圖。(d) SSIH 的電阻隨著溫度的降低而增加。(e) SSIH的導(dǎo)電性表現(xiàn)出長時間穩(wěn)定性，在-80℃空氣中放置13個月后，電阻剛剛增加到440.9 ohm/cm。(f) SSIH在-68℃下的導(dǎo)電自愈能力。 (g~h) 隨著溫度的降低，阻抗和相位角的平穩(wěn)平臺擴大并移至較低頻率區(qū)域。
圖4. SSANF 的設(shè)計原理和信息傳輸能力。(a) SSANF 的設(shè)計原則。(i)有髓軸突結(jié)構(gòu)的圖。神經(jīng)信號以動作電位的形式沿著有髓軸突傳播。(ii) SSANF 結(jié)構(gòu)圖。電容模型中的電位信號傳遞過程。(c) |V1/V0| 隨電壓脈沖的頻率和幅度而變化，并保持在 0.975 和 1.025 之間。在 100%、200% 和 300% 變形 (d) 下，輸出端口 (e) 中記錄的電壓曲線。 (f) 在10000次拉伸至200%變形和恢復(fù)過程中，信號保持其初始形狀和幅度。
圖5.SSANF 在仿生智能機器人中的應(yīng)用。(a)SSAF作為 BIR 的一個通信單元。(b)同步仿生機器人手系統(tǒng)的電路示意圖，(c)其中 SSANF 用于傳輸實時集成信號。(d)干冰（-78.5℃）用于創(chuàng)造局部低溫環(huán)境。(e) SSANF在200%變形和-78.5℃下的輸入和輸出信號。(f)SSANF 的能量輸送能力和快速回復(fù)能力。
相關(guān)研究成果以題為:“Ultra-stretchable and fast self-healing ionic hydrogel in cryogenic environments for artificial nerve fiber”發(fā)表在最新一期Advanced Materials (IF: 30.8)上，王嬋博士和碩士研究生劉瑩為共同第一作者, 李舟研究員為通訊作者。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202105416
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