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杜學(xué)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(lái)源：高分子科技

  在自然界中，變色龍和章魚(yú)等生物能夠通過(guò)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(xué)性能，以及可準(zhǔn)確感知并將外部機(jī)械刺激轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(hào)，缺乏類似變色龍還可通過(guò)肉眼可見(jiàn)的膚色變化來(lái)協(xié)同反饋外界刺激的能力。近年來(lái)，將變色龍皮膚中的周期性微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xué)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(hào)協(xié)同輸出穩(wěn)定性不足等關(guān)鍵問(wèn)題，極大限制了其實(shí)際應(yīng)用。


  11月5日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院智能醫(yī)用材料與器械研究中心杜學(xué)敏研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院北京納米能源所李舟研究員團(tuán)隊(duì)，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(jìn)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(jī)械刺激信號(hào)轉(zhuǎn)換為協(xié)同的電光信號(hào)輸出（圖1），并展現(xiàn)出了優(yōu)異的柔韌性（斷裂伸長(zhǎng)率> 1100%）、高靈敏度（應(yīng)變系數(shù)：3.26）、快速響應(yīng)（~100 ms）、高準(zhǔn)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(cè)、人機(jī)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(jì)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(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的形成，還能釋放Ga3+，促進(jìn)SA-Ga3+物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的形成。此外，LMPs自身的流動(dòng)性、高對(duì)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(jī)械性能（斷裂伸長(zhǎng)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(hào)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(xué)傳感性能方面，由于LMPs的可流動(dòng)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(guò)相對(duì)阻抗變化實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變的快響應(yīng)（100 ms）、高靈敏監(jiān)測(cè)（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(duì)阻抗變化，展現(xiàn)了優(yōu)異的電學(xué)傳感穩(wěn)定性（圖3）。


圖3 仿生結(jié)構(gòu)色電子皮膚的電學(xué)傳感性能


  與只具備單一電學(xué)信號(hào)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(shí)現(xiàn)光學(xué)信號(hào)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{(lán)色，且其反射峰隨應(yīng)變呈線性變化（R2 > 99.5%），展現(xiàn)了通過(guò)光學(xué)信號(hào)精準(zhǔn)感知應(yīng)變的能力。同時(shí)，該仿生結(jié)構(gòu)色電子皮膚的光學(xué)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(xué)傳感性能測(cè)試


  基于其優(yōu)異的光電信號(hào)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(yùn)動(dòng)以及呼吸頻率與幅度的高靈敏監(jiān)測(cè)（圖5），有望為智能可穿戴設(shè)備、健康檢測(cè)、人機(jī)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(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院智能醫(yī)用材料與器械研究中心杜學(xué)敏研究員、中國(guó)科學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、廣東省重點(diǎn)、廣東省青年、深圳市杰青和深圳市醫(yī)學(xué)研究基金等科技項(xiàng)目支持。


  團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期招聘博士后，歡迎將簡(jiǎn)歷發(fā)送至：xm.du@siat.ac.cn


  網(wǎng)站：https://ibmd.siat.ac.cn/


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

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