【引言】

    近年來，能夠模擬人體皮膚知覺功能和力學(xué)性能的智能傳感器在物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、可穿戴設(shè)備和軟物質(zhì)機(jī)器人等領(lǐng)域都受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。其中的關(guān)鍵技術(shù)之一是要克服傳統(tǒng)智能傳感器件的剛性、不可折疊拉伸、破壞后無法自修復(fù)等缺點(diǎn)，發(fā)展大面積、低成本、輕質(zhì)化、高靈敏、具有良好力學(xué)適應(yīng)性以及多種感知能力的智能材料。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，國內(nèi)外研究者們受到人體皮膚組成以及傳感原理的啟發(fā)，結(jié)合柔性、可拉伸、可自修復(fù)的電子/離子傳輸材料，發(fā)展了一系列可模擬人體皮膚功能的電子皮膚或離子皮膚設(shè)備。

    【成果簡介】

    復(fù)旦大學(xué)武培怡教授（通訊作者）研究團(tuán)隊(duì)利用一種仿生礦物水凝膠，構(gòu)筑了具有高靈敏度和良好力學(xué)適應(yīng)性的離子皮膚傳感器。水凝膠的制備方法是受自然界中蝦殼結(jié)構(gòu)和生物體內(nèi)礦化過程的啟發(fā)，以及通過對無定形礦物與常見高分子的紅外光譜分析，利用無定形碳酸鈣（ACC）納米粒子、聚丙烯酸（PAA）和海藻酸鈉三者物理交聯(lián)而成，合成方法簡單。制備的礦物水凝膠具有獨(dú)特的粘彈性質(zhì)，基于其構(gòu)筑的電容式傳感器具有較高的靈敏度和良好的力學(xué)適應(yīng)性（包括柔性、可拉伸、易加工、完全自主自修復(fù)以及保持與動(dòng)態(tài)界面的高度匹配），可以感知外界微小的壓力變化（包括人體運(yùn)動(dòng)以及水滴落下等），不僅在人工智能、人機(jī)交互和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域顯示了巨大的應(yīng)用潛力，對于未來開發(fā)新型具有良好力學(xué)適應(yīng)性的智能皮膚材料也具有一定的啟發(fā)。相關(guān)成果以“A Bioinspired Mineral Hydrogel as a Self-Healable,Mechanically Adaptable Ionic Skin for Highly Sensitive Pressure Sensing”為題，發(fā)表在近日的Adv. Mater.雜志上。

    【圖文導(dǎo)讀】

    圖1 ACC/PAA/海藻酸鈉礦物水凝膠

    a，ACC/PAA/海藻酸鈉礦物水凝膠的結(jié)構(gòu)示意圖。

    b，冷凍干燥后的ACC/PAA/海藻酸鈉礦物水凝膠的掃描電鏡圖像。

    c，對比ACC/PAA/海藻酸鈉水凝膠和此前報(bào)道的ACC/PAA水凝膠的儲(chǔ)能模量（G‘）和損耗模量（G“）關(guān)系。

    d，ACC/PAA/海藻酸鈉水凝膠的可塑性。

    e，水凝膠對非線性曲面以及運(yùn)動(dòng)曲面的高度貼合與匹配效果。

    圖2 礦物水凝膠電容式傳感器的各種性能測試

    a，水凝膠壓力傳感器設(shè)計(jì)示意圖，由離子導(dǎo)體層與電介質(zhì)層構(gòu)成。

    b，基于ACC/PAA/海藻酸鈉水凝膠的壓力傳感器照片。

    c，水凝膠壓力傳感器的壓力靈敏度測試示意圖。

    d，水凝膠壓力傳感器在0-1 kPa范圍內(nèi)的電容-壓力響應(yīng)曲線。

    e，電容-壓力循環(huán)曲線圖。

    f-h，水凝膠壓力傳感器檢測水滴落下的示意圖，照片以及實(shí)時(shí)電容響應(yīng)（箭頭表示水滴落下的時(shí)刻）。

    圖3 ACC/PAA/海藻酸鈉水凝膠作為離子皮膚可檢測人體的肌肉運(yùn)動(dòng)及血壓變化

    a, 檢測手指運(yùn)動(dòng)：示意圖，水凝膠傳感器附著在彎曲或伸直手指上的照片，以及手指周期性彎曲時(shí)，實(shí)時(shí)電容信號變化。

    b, 檢測喉部肌肉運(yùn)動(dòng)的效果：照片，示意圖，以及當(dāng)佩戴者大笑或說”你好“時(shí)，實(shí)時(shí)電容信號變化。

    c, 檢測血壓變化：照片，示意圖，以及當(dāng)佩戴者手臂血壓升高或降低時(shí)，實(shí)時(shí)電容信號變化。

    圖4 基于水凝膠的離子皮膚的自修復(fù)效果

    a, 破裂的水凝膠傳感器照片。

    b, 兩個(gè)破裂的水凝膠相接觸，裂痕在無外界刺激下可完全消失實(shí)現(xiàn)自修復(fù)（凝膠分別用羅丹明B以及亞甲基藍(lán)染色）。

    c, 自修復(fù)的水凝膠傳感器照片。

    d, 傳感器在修復(fù)裂痕前后的電容，分別對應(yīng)于a）和c）。

    e, 自修復(fù)水凝膠傳感器附著在伸直手指上。

    f, 自修復(fù)水凝膠傳感器附著在彎曲手指上。

    g, 手指周期性彎曲時(shí)的實(shí)時(shí)電容響應(yīng)。

    【小結(jié)】

    研究者研制出的基于仿生礦物水凝膠的電容式離子皮膚傳感器，具有高靈敏、可拉伸和完全自主自修復(fù)的特點(diǎn)，能夠貼合復(fù)雜曲面以及匹配動(dòng)態(tài)表面?？梢詫?shí)時(shí)跟蹤人體運(yùn)動(dòng)，感知輕柔的手指觸摸，甚至微小水滴的落下。該工作拓寬了多功能水凝膠的研究思路，為開發(fā)新型具有良好力學(xué)適應(yīng)性的智能皮膚提供了新途徑。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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    圖2 礦物水凝膠電容式傳感器的各種性能測試