摩擦電傳感設(shè)備依靠接觸起電和靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)，能夠?qū)⑼獠渴┘拥臋C械刺激轉(zhuǎn)化為電信號，從而簡化觸覺信息的獲取和量化。然而，傳統(tǒng)彈性摩擦電材料（聚二甲基硅氧烷、熱塑性聚氨酯、硅橡膠等）的楊氏模量過高，與人體組織之間固有的機械失配為可穿戴觸覺傳感設(shè)備在人機交互中的應(yīng)用帶來了極大挑戰(zhàn)。模量的高度失配和極低的粘附性使其難以與人體和機器人形成順應(yīng)性的共形接觸和穩(wěn)定的界面連接，損害了可穿戴觸覺傳感設(shè)備的運行穩(wěn)定性和傳感信號的保真?zhèn)鬏，?yán)重限制了柔性電子技術(shù)的進一步發(fā)展。
近日，王雙飛院士團隊聶雙喜教授課題組受人體皮下組織的天然兩相結(jié)構(gòu)啟發(fā)，提出了通過競爭性氫鍵誘導(dǎo)纖維素再生的相分離策略，實現(xiàn)了一種具有鎖相結(jié)構(gòu)的皮膚順應(yīng)性摩擦電彈性體。利用聚合物-溶劑-非溶劑相互作用構(gòu)建競爭性氫鍵體系，以觸發(fā)相分離。由此制備的摩擦電彈性體具有雙連續(xù)軟-硬相交替結(jié)構(gòu)，其較低的楊氏模量（6.8-281.9 kPa）和高拉伸性能（880%）與人體皮膚的力學(xué)性能相匹配。聚甲基丙烯酸羥乙酯（軟相）和再生纖維素（硬相）中豐富的活性羥基使彈性體具備優(yōu)異的摩擦正極性和自粘附性能（90°剝離強度大于70 N/m)；谠彈性體的自供電觸覺傳感皮膚與工作對象保持了良好的界面和機械穩(wěn)定性，極大地保證了軟觸覺傳感信號的保真度和可靠性。該策略使柔性傳感材料的類皮膚設(shè)計和廣泛的力學(xué)動態(tài)可調(diào)性成為可能，為其從軟機器人到可穿戴電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用提供了一個通用平臺。該項成果以題為“Compliant Iontronic Triboelectric Gels with Phase-Locked Structure Enabled by Competitive Hydrogen Bonding”發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Nano-Micro Letters》上。
在人體皮下組織中，剛性的硬脂質(zhì)顆粒被包裹在彈性組織基質(zhì)中。組織基質(zhì)提供了皮膚的粘彈性，鑲嵌其中的脂質(zhì)顆粒則負(fù)責(zé)耗散皮膚變形過程中受到的應(yīng)力，共同承擔(dān)起皮膚的低模量和高韌性。這種天然兩相結(jié)構(gòu)中有效的負(fù)載轉(zhuǎn)移形式為摩擦電彈性體的類皮膚設(shè)計提供了仿生靈感。
圖1.皮膚順應(yīng)性纖維素摩擦電彈性體的仿生設(shè)計原理
在彈性體成功制備之前，相分離已經(jīng)在前驅(qū)體溶液中發(fā)生。利用量子化學(xué)中的密度泛函理論（DFT）和分子動力學(xué)（MD）模擬驗證了纖維素/HEMA/[Bmim]Cl體系中相分離的驅(qū)動力。
圖2.通過競爭性氫鍵誘導(dǎo)體系相分離
通過納米CT和原子力顯微鏡技術(shù)對彈性體中的鎖相結(jié)構(gòu)進行可視化分析，結(jié)果證明彈性體內(nèi)部產(chǎn)生均勻且連續(xù)的相分離。由于體系未結(jié)晶，不同尺度的硬相聚集起到了物理交聯(lián)和增強作用，對彈性體的粘彈性行為產(chǎn)生影響，特別是在應(yīng)力響應(yīng)和變形方面。
圖3.摩擦電彈性體的流變性能和環(huán)境穩(wěn)定性
有效的相間負(fù)載轉(zhuǎn)移機制是摩擦電彈性體獲得優(yōu)異類皮膚力學(xué)性能的關(guān)鍵。在應(yīng)力作用下，剛且脆的纖維素氫鍵網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先斷裂，犧牲性地耗散大量能量；稀疏交聯(lián)的柔性聚合物網(wǎng)絡(luò)作為隱藏長度，在應(yīng)力作用下被大幅拉伸，并通過大變形承受應(yīng)力。
圖4.摩擦電彈性體的類皮膚力學(xué)性能
將摩擦電彈性體基電子皮膚組裝成一種自供電假體皮膚，用于模擬人類皮膚的觸覺感知能力。彈性體基觸覺傳感皮膚在0~100 kPa范圍內(nèi)均具有出色的傳感靈敏度，并且具備承受瞬態(tài)高應(yīng)力的能力。獨特的摩擦電傳感機制使其同時實現(xiàn)了物體識別和力度感知的雙重功能，拓展了其在救援搜索、軍事訓(xùn)練、深空探測等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。
圖5.基于摩擦電彈性體的自供電觸覺感知系統(tǒng)
本研究提出了一種基于競爭性氫鍵的相分離誘導(dǎo)機制，從而成功定制具有仿生力學(xué)特性的摩擦電彈性體。利用天然聚合物的溶解-再生過程，通過非溶劑建立競爭性氫鍵體系，引發(fā)液-固相分離。軟相和硬相的交替穿插使彈性體保持了皮膚般的柔軟度，其楊氏模量為150.6 kPa。同時，其機械強度顯著提高，拉伸強度提高了810%，韌性提高了1650%。在此基礎(chǔ)上制備的摩擦電觸覺皮膚與人體建立了一個穩(wěn)定、順服的界面，展示了自供電傳感機制和仿生力學(xué)特性的高效結(jié)合。
原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s40820-024-01387-4
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