杜学敏/李舟《Adv. Funct. Mater.》：仿生超拉伸和高灵敏的结构色电子皮肤

文摘 2024-11-26 11:01 吉林

在自然界中，变色龙和章鱼等生物能够通过皮肤感知外部刺激并做出响应以适应复杂环境。受这些生物特性的启发，各类电子皮肤得以迅速发展，特别是基于水凝胶的电子皮肤，因其兼具良好的生物相容性、优异的柔韧性和类组织的力学性能，以及可准确感知并将外部机械刺激转换为电信号的能力而备受关注。然而，传统电子皮肤只能将外界刺激转换为单一模式的电信号，缺乏类似变色龙还可通过肉眼可见的肤色变化来协同反馈外界刺激的能力。近年来，将变色龙皮肤中的周期性微纳结构设计到柔性电子皮肤中赋予了其可视化反馈功能，但因硬的导电材料与软的基底材料界面力学性能不适配，导致这类结构色电子皮肤存在可拉伸性差、灵敏度低、光电信号协同输出稳定性不足等关键问题，极大限制了其实际应用。

11月5日，中国科学院深圳先进技术研究院智能医用材料与器械研究中心杜学敏研究员团队联合中国科学院北京纳米能源所李舟研究员团队，在仿生超拉伸和高灵敏的结构色电子皮肤方面取得重要研究进展，相关成果以“Bioinspired Ultra-Stretchable and Highly Sensitive Structural Color Electronic Skins”为题，发表在《Advanced Functional Materials》上。该仿生结构色电子皮肤能够将机械刺激信号转换为协同的电光信号输出（图1），并展现出了优异的柔韧性（断裂伸长率> 1100%）、高灵敏度（应变系数：3.26）、快速响应（~100 ms）、高准确性（R² > 99.5%）和出色的光电协同输出稳定性（> 1500循环），在智能可穿戴设备、健康检测、人机交互等领域有着巨大的应用潜力。

图1 仿生结构色电子皮肤的设计及光电协同传感原理

该仿生结构色电子皮肤由周期性有序排列的胶体晶体阵列构成的结构色层以及由液态金属颗粒（LMPs）掺杂的聚丙烯酸-海藻酸钠（PAM-SA）双网络水凝胶构成的凝胶层组成。其中，均匀分散在凝胶中的LMPs不仅能产生自由基，引发PAM化学交联网络的形成，还能释放Ga³⁺，促进SA-Ga³⁺物理交联网络的形成。此外，LMPs自身的流动性、高对比度以及导电性，还赋予了该仿生结构色电子皮肤优异的机械性能（断裂伸长率> 1100%）、鲜亮的结构色，以及高灵敏、快响应、高稳定性的协同光电信号反馈能力（图2）。

图2 仿生结构色电子皮肤的制备及表征

在电学传感性能方面，由于LMPs的可流动性及其与凝胶分子间稳定的界面相互作用，仿生结构色电子皮肤可在人体皮肤可耐受乃至超越人体皮肤可耐受的大应变范围下（0~200%），均可通过相对阻抗变化实现对应变的快响应（100 ms）、高灵敏监测（应变系数：0~30%: 1.63, 30%~100%: 2.31, 100%~200%: 3.26），并且在1500次50%应变循环下表现出稳定的相对阻抗变化，展现了优异的电学传感稳定性（图3）。

图3 仿生结构色电子皮肤的电学传感性能

与只具备单一电学信号反馈的传统电子皮肤不同，该仿生结构色电子皮肤还可基于应变及受压下胶体颗粒晶格距离的改变，实现光学信号传感（图4）。在0~70%的大范围应变下，该仿生结构色电子皮肤颜色可由初始红色逐渐变为蓝色，且其反射峰随应变呈线性变化（R² > 99.5%），展现了通过光学信号精准感知应变的能力。同时，该仿生结构色电子皮肤的光学传感能力同样具备快速响应（～100 ms）以及优异的稳定性（> 1500循环）。

图4 仿生结构色电子皮肤的光学传感性能测试

基于其优异的光电信号协同反馈，该仿生结构色电子皮肤可用于张力变化、指关节运动以及呼吸频率与幅度的高灵敏监测（图5），有望为智能可穿戴设备、健康检测、人机交互等领域提供新材料与新方法。

图5 仿生结构色电子皮肤的应用

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202412703

中国科学院深圳先进技术研究院智能医用材料与器械研究中心杜学敏研究员、中国科学院北京纳米能源所李舟研究员为该论文的通讯作者，尚媛媛（客座硕士生）和黄超博士为共同第一作者。该文章获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院青年创新促进会、广东省重点、广东省青年、深圳市杰青和深圳市医学研究基金等科技项目支持。

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来源：EngineeringForLife

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