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杜學敏/李舟 Adv. Funct. Mater.：仿生超拉伸和高靈敏的結(jié)構(gòu)色電子皮膚
2024-11-11  來源：高分子科技

  在自然界中，變色龍和章魚等生物能夠通過皮膚感知外部刺激并做出響應(yīng)以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。受這些生物特性的啟發(fā)，各類電子皮膚得以迅速發(fā)展，特別是基于水凝膠的電子皮膚，因其兼具良好的生物相容性、優(yōu)異的柔韌性和類組織的力學性能，以及可準確感知并將外部機械刺激轉(zhuǎn)換為電信號的能力而備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)電子皮膚只能將外界刺激轉(zhuǎn)換為單一模式的電信號，缺乏類似變色龍還可通過肉眼可見的膚色變化來協(xié)同反饋外界刺激的能力。近年來，將變色龍皮膚中的周期性微納結(jié)構(gòu)設(shè)計到柔性電子皮膚中賦予了其可視化反饋功能，但因硬的導(dǎo)電材料與軟的基底材料界面力學性能不適配，導(dǎo)致這類結(jié)構(gòu)色電子皮膚存在可拉伸性差、靈敏度低、光電信號協(xié)同輸出穩(wěn)定性不足等關(guān)鍵問題，極大限制了其實際應(yīng)用。


  11月5日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院智能醫(yī)用材料與器械研究中心杜學敏研究員團隊聯(lián)合中國科學院北京納米能源所李舟研究員團隊，在仿生超拉伸和高靈敏的結(jié)構(gòu)色電子皮膚方面取得重要研究進展，相關(guān)成果以“Bioinspired Ultra-Stretchable and Highly Sensitive Structural Color Electronic Skins”為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上。該仿生結(jié)構(gòu)色電子皮膚能夠?qū)C械刺激信號轉(zhuǎn)換為協(xié)同的電光信號輸出（圖1），并展現(xiàn)出了優(yōu)異的柔韌性（斷裂伸長率> 1100%）、高靈敏度（應(yīng)變系數(shù)：3.26）、快速響應(yīng)（~100 ms）、高準確性（R2 > 99.5%）和出色的光電協(xié)同輸出穩(wěn)定性（> 1500循環(huán)），在智能可穿戴設(shè)備、健康檢測、人機交互等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。


圖1 仿生結(jié)構(gòu)色電子皮膚的設(shè)計及光電協(xié)同傳感原理


  該仿生結(jié)構(gòu)色電子皮膚由周期性有序排列的膠體晶體陣列構(gòu)成的結(jié)構(gòu)色層以及由液態(tài)金屬顆粒（LMPs）摻雜的聚丙烯酸-海藻酸鈉（PAM-SA）雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠構(gòu)成的凝膠層組成。其中，均勻分散在凝膠中的LMPs不僅能產(chǎn)生自由基，引發(fā)PAM化學交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的形成，還能釋放Ga3+，促進SA-Ga3+物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的形成。此外，LMPs自身的流動性、高對比度以及導(dǎo)電性，還賦予了該仿生結(jié)構(gòu)色電子皮膚優(yōu)異的機械性能（斷裂伸長率> 1100%）、鮮亮的結(jié)構(gòu)色，以及高靈敏、快響應(yīng)、高穩(wěn)定性的協(xié)同光電信號反饋能力（圖2）。


圖2 仿生結(jié)構(gòu)色電子皮膚的制備及表征


  在電學傳感性能方面，由于LMPs的可流動性及其與凝膠分子間穩(wěn)定的界面相互作用，仿生結(jié)構(gòu)色電子皮膚可在人體皮膚可耐受乃至超越人體皮膚可耐受的大應(yīng)變范圍下（0~200%），均可通過相對阻抗變化實現(xiàn)對應(yīng)變的快響應(yīng)（100 ms）、高靈敏監(jiān)測（應(yīng)變系數(shù)：0~30%: 1.63, 30%~100%: 2.31, 100%~200%: 3.26），并且在1500次50%應(yīng)變循環(huán)下表現(xiàn)出穩(wěn)定的相對阻抗變化，展現(xiàn)了優(yōu)異的電學傳感穩(wěn)定性（圖3）。


圖3 仿生結(jié)構(gòu)色電子皮膚的電學傳感性能


  與只具備單一電學信號反饋的傳統(tǒng)電子皮膚不同，該仿生結(jié)構(gòu)色電子皮膚還可基于應(yīng)變及受壓下膠體顆粒晶格距離的改變，實現(xiàn)光學信號傳感（圖4）。在0~70%的大范圍應(yīng)變下，該仿生結(jié)構(gòu)色電子皮膚顏色可由初始紅色逐漸變?yōu)樗{色，且其反射峰隨應(yīng)變呈線性變化（R2 > 99.5%），展現(xiàn)了通過光學信號精準感知應(yīng)變的能力。同時，該仿生結(jié)構(gòu)色電子皮膚的光學傳感能力同樣具備快速響應(yīng)（～100 ms）以及優(yōu)異的穩(wěn)定性（> 1500循環(huán)）。


圖4 仿生結(jié)構(gòu)色電子皮膚的光學傳感性能測試


  基于其優(yōu)異的光電信號協(xié)同反饋，該仿生結(jié)構(gòu)色電子皮膚可用于張力變化、指關(guān)節(jié)運動以及呼吸頻率與幅度的高靈敏監(jiān)測（圖5），有望為智能可穿戴設(shè)備、健康檢測、人機交互等領(lǐng)域提供新材料與新方法。


圖5 仿生結(jié)構(gòu)色電子皮膚的應(yīng)用


  中國科學院深圳先進技術(shù)研究院智能醫(yī)用材料與器械研究中心杜學敏研究員、中國科學院北京納米能源所李舟研究員為該論文的通訊作者，尚媛媛（客座碩士生）和黃超博士為共同第一作者。該文章獲得國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學院青年創(chuàng)新促進會、廣東省重點、廣東省青年、深圳市杰青和深圳市醫(yī)學研究基金等科技項目支持。


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  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202412703

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（責任編輯：xu）
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