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東華大學(xué)武培怡/孫勝童團(tuán)隊(duì)《Adv. Mater.》：首例美學(xué)離子皮膚 - 實(shí)現(xiàn)應(yīng)變不敏感觸覺(jué)感知和紋理識(shí)別
2023-03-03  來(lái)源：高分子科技

  指紋是人體感知最靈敏的皮膚部位，其可拉伸的表面紋理結(jié)構(gòu)不僅有助于物體抓握，也可精準(zhǔn)感知所觸摸物體的紋理和材質(zhì)。近年來(lái)，可拉伸離子皮膚材料被廣泛用于模擬皮膚和指紋的柔性觸覺(jué)感知功能。與硬質(zhì)電子皮膚不同，可拉伸離子皮膚用于觸覺(jué)感知仍存在兩個(gè)明顯的局限性：一是離子皮膚的壓力感知靈敏度易產(chǎn)生應(yīng)變畸變，即被拉伸后對(duì)壓力的感知信號(hào)水平受到明顯影響；二是即便被賦予表面紋理，仍缺乏可媲美指紋的精細(xì)紋理識(shí)別能力，這是因?yàn)殡x子皮膚的柔軟表面凹凸易被壓力和應(yīng)變展平，難以有效傳遞振動(dòng)信號(hào)。如何在不損失離子皮膚本征柔性和可拉伸性的前提下，賦予其觸覺(jué)感知以應(yīng)變不敏感性和紋理識(shí)別能力，是制約高性能離子皮膚發(fā)展的瓶頸難題之一。


  東華大學(xué)武培怡-孫勝童研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)致力于仿生離子皮膚的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能強(qiáng)化：（1）基于兩性離子超分子競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了應(yīng)變硬化自修復(fù)離子皮膚，提高了材料抵抗拉伸斷裂的耐受性（Nat. Commun. 2021, 12, 4082）；（2）模擬真實(shí)皮膚的可修復(fù)納米纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過(guò)高模量聚氨酯納米纖維網(wǎng)與低模量離子導(dǎo)電基質(zhì)復(fù)合，提升了離子皮膚抵抗循環(huán)裂紋擴(kuò)展的疲勞耐受性（Nat. Commun. 2022, 13, 4411）；（3）基于熵驅(qū)動(dòng)的聚丙烯酸-礦物納米簇可逆物理吸附相互作用，制備了可強(qiáng)烈熱致硬化的離子導(dǎo)電水凝膠，提升了材料抵抗高溫破壞的力學(xué)耐受性（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202204960）；（4）模擬人體脂肪組織的二元分相復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用可自發(fā)相分離的高粘滯含氟共聚物構(gòu)筑了兼有高阻尼、高回彈及自修復(fù)性能的離子皮膚材料（Adv. Mater. 2023, 35, 2209581）。


  近期，該研究團(tuán)隊(duì)注意到，指紋的高靈敏觸覺(jué)感知能力主要源于周期性凹凸結(jié)構(gòu)的軟硬模量差異。指紋上下對(duì)稱的硬質(zhì)脊?fàn)钔蛔鳛闃O好的力學(xué)微杠桿，可將觸覺(jué)振動(dòng)信號(hào)迅速傳遞給真皮層的觸覺(jué)感受器。此外，這些硬質(zhì)脊?fàn)钔痪哂?/span>更小的拉伸變形量，可確保與所觸摸物體的接觸面積幾乎不變，使指紋壓力感知靈敏度免受應(yīng)變畸變的干擾。受此啟發(fā)，該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)反應(yīng)-擴(kuò)散介導(dǎo)的非平衡生長(zhǎng)過(guò)程開發(fā)了一種可全面模擬指紋結(jié)構(gòu)和觸覺(jué)感知功能的美學(xué)離子皮膚水凝膠。它具有嵌入彈性水凝膠基質(zhì)的周期性硬質(zhì)脊?fàn)钔?/span>，形貌上與真實(shí)指紋非常類似。包覆氟橡膠后用作自供電摩擦電觸感傳感器，即使拉伸至50%應(yīng)變（人體皮膚的極限拉伸應(yīng)變），壓力感知靈敏度幾乎保持不變，并可對(duì)所接觸物體進(jìn)行精細(xì)紋理識(shí)別。進(jìn)一步與壓阻離子凝膠耦合后，還可模擬指紋的多模態(tài)動(dòng)靜態(tài)壓力同步感知功能，極大拓展了離子皮膚在未來(lái)柔性觸覺(jué)感知領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。 


圖1. 美學(xué)離子皮膚的仿生設(shè)計(jì)與觸覺(jué)感知功能


  該美學(xué)離子皮膚水凝膠是通過(guò)典型的Liesegang非平衡反應(yīng)-擴(kuò)散過(guò)程來(lái)制備的。具體來(lái)說(shuō)，將高濃度的CuCl2/瓊脂水凝膠置于低濃度的K2CrO4/聚丙烯酰胺水凝膠（預(yù)拉伸50%，圖案化后釋放）上，CuCrO4的快速沉淀反應(yīng)與Cu2+沿凝膠基質(zhì)的擴(kuò)散過(guò)程達(dá)到了微妙的非平衡反應(yīng)-擴(kuò)散狀態(tài)，從而最終形成貫穿整個(gè)水凝膠基質(zhì)的指紋狀環(huán)形紋理。在此過(guò)程中，水凝膠未反應(yīng)的單體同步聚合，因而即使用酸洗除CuCrO4晶體圖案后，表面紋理仍然存在。圖案化后的水凝膠可拉伸11.5倍，模量?jī)H34 kPa，且圖案隨拉伸發(fā)生共形變形。微壓痕測(cè)試表明，富集CuCrO4晶體的脊?fàn)钔痪哂休^高的模量，因而拉伸過(guò)程中紋理高度基本保持不變。 


圖2. Liesegang非平衡反應(yīng)-擴(kuò)散過(guò)程制備美學(xué)離子皮膚水凝膠


  作者選擇電負(fù)性極低的PVDF-HFP-TFE三元共聚氟橡膠包覆圖案化水凝膠用作單電極摩擦電傳感器。氟橡膠涂覆保留了圖案化水凝膠的表面紋理結(jié)構(gòu)，同時(shí)避免水凝膠長(zhǎng)時(shí)間脫水。為證明具有軟硬模量差異的美學(xué)離子皮膚的觸覺(jué)傳感優(yōu)勢(shì)，作者同時(shí)制備了光滑平整的離子皮膚和具有軟脊?fàn)钔坏?/span>自褶皺離子皮膚作為對(duì)比。結(jié)果表明，具有軟硬模量差異的美學(xué)離子皮膚具有最高的壓力感知靈敏度（1.50 V kPa-1），且完全不受50%應(yīng)變的影響，而對(duì)比樣均存在明顯的靈敏度應(yīng)變畸變。這進(jìn)一步證實(shí)了硬質(zhì)脊?fàn)钔坏年P(guān)鍵作用，即可以保證拉伸變形后與觸摸物體的接觸面積基本不變。此外，該美學(xué)離子皮膚對(duì)觸摸物體的材質(zhì)、頻率和壓力大小均具有較高的分辨能力，長(zhǎng)期使用性能保持穩(wěn)定。 


圖3. 美學(xué)離子皮膚觸覺(jué)壓力感知的應(yīng)變不敏感性


  此外，該美學(xué)離子皮膚像指紋一樣擁有分辨所接觸物體紋理特征的能力。作者將離子皮膚傳感器觸摸不同粗糙度的砂紙，其觸摸信號(hào)幅度和頻率均隨粗糙度增大而增大。將離子皮膚結(jié)合到機(jī)器手上抓取日常生活中的常見(jiàn)物體（如水果）可輸出完全不同的電壓波形。結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)—主成分分析（PCA），可對(duì)多次觸摸信號(hào)進(jìn)行歸類識(shí)別。 


圖4. 美學(xué)離子皮膚的紋理識(shí)別能力


  為進(jìn)一步模擬指紋或皮膚的多模態(tài)觸覺(jué)感知能力，作者將該美學(xué)離子皮膚與聚硫辛酸離子凝膠組合，制備了人工耦合觸覺(jué)傳感器。美學(xué)離子皮膚利用摩擦電效應(yīng)可感知?jiǎng)討B(tài)觸摸信號(hào)（物體接觸和分離過(guò)程），而離子凝膠利用壓阻效應(yīng)可實(shí)時(shí)感知靜態(tài)壓力持久信號(hào)。多場(chǎng)景模擬測(cè)試顯示，該耦合傳感器具有穩(wěn)定的動(dòng)靜態(tài)多模態(tài)感知能力。 


圖5. 人工耦合觸覺(jué)傳感器的自適應(yīng)多模態(tài)感知


  以上研究成果近期以“Non-equilibrium-Growing Aesthetic Ionic Skin for Fingertip-Like Strain-Undisturbed Tactile Sensation and Texture Recognition”為題，發(fā)表在《Advanced Materials》（DOI: 10.1002/adma.202300593）上。東華大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士研究生喬海燕為文章第一作者，孫勝童研究員和武培怡教授為論文共同通訊作者。
該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、國(guó)際（地區(qū)）合作與交流項(xiàng)目、面上項(xiàng)目等的資助與支持。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202300593

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