復旦大學Adv. Mater.：一種基于仿生礦物水凝膠的離子皮膚傳感器

【引言】

近年來，能夠模擬人體皮膚知覺功能和力學性能的智能傳感器在物聯網、人工智能、可穿戴設備和軟物質機器人等領域都受到廣泛關注和應用。其中的關鍵技術之一是要克服傳統智能傳感器件的剛性、不可折疊拉伸、破壞后無法自修復等缺點，發展大面積、低成本、輕質化、高靈敏、具有良好力學適應性以及多種感知能力的智能材料。為實現上述目標，國內外研究者們受到人體皮膚組成以及傳感原理的啟發，結合柔性、可拉伸、可自修復的電子/離子傳輸材料，發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備。

【成果簡介】

復旦大學武培怡教授(通訊作者)研究團隊利用一種仿生礦物水凝膠，構筑了具有高靈敏度和良好力學適應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構和生物體內礦化過程的啟發，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而成，合成方法簡單。制備的礦物水凝膠具有獨特的粘彈性質，基于其構筑的電容式傳感器具有較高的靈敏度和良好的力學適應性（包括柔性、可拉伸、易加工、完全自主自修復以及保持與動態界面的高度匹配），可以感知外界微小的壓力變化（包括人體運動以及水滴落下等），不僅在人工智能、人機交互和可穿戴設備等領域顯示了巨大的應用潛力，對于未來開發新型具有良好力學適應性的智能皮膚材料也具有一定的啟發。相關成果以“A Bioinspired Mineral Hydrogel as a Self-Healable,Mechanically Adaptable Ionic Skin for Highly Sensitive Pressure Sensing”為題，發表在近日的Adv. Mater.雜志上。

【圖文導讀】

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構示意圖。

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道的ACC/PAA水凝膠的儲能模量（G'）和損耗模量（G”）關系。

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動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計示意圖，由離子導體層與電介質層構成。

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范圍內的電容-壓力響應曲線。

e，電容-壓力循環曲線圖。

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

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動及血壓變化

a,?檢測手指運動：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，實時電容信號變化。

b, 檢測喉部肌肉運動的效果：照片，示意圖，以及當佩戴者大笑或說“你好”時，實時電容信號變化。

c, 檢測血壓變化：照片，示意圖，以及當佩戴者手臂血壓升高或降低時，實時電容信號變化。

圖4 基于水凝膠的離子皮膚的自修復效果

a, 破裂的水凝膠傳感器照片。

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

c, 自修復的水凝膠傳感器照片。

d, 傳感器在修復裂痕前后的電容，分別對應于a）和c）。

e, 自修復水凝膠傳感器附著在伸直手指上。

f, 自修復水凝膠傳感器附著在彎曲手指上。

g, 手指周期性彎曲時的實時電容響應。

【小結】

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的特點，能夠貼合復雜曲面以及匹配動態表面。可以實時跟蹤人體運動，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，為開發新型具有良好力學適應性的智能皮膚提供了新途徑。

【通訊作者簡介】：

武培怡教授，復旦大學高分子科學系博士生導師、南京大學化學系高分子專業博士、德國ESSEN大學自然科學博士；2004年度獲國家杰出青年基金；入選教育部首屆新世紀人才計劃；2007年入選上海市優秀學科帶頭人計劃；2016年當選英國皇家化學會會士。主要研究方向為二維相關光譜在聚合物體系中的應用、刺激響應聚合物的設計與分子機理研究、聚合物功能膜材料、多功能聚合物復合水凝膠等。2000年至今以通訊作者發表SCI論文170余篇，引用6000余次。

文獻鏈接：A Bioinspired Mineral Hydrogel as a Self-Healable,Mechanically Adaptable Ionic Skin for Highly Sensitive Pressure Sensing （Adv. Mater.,2017,DOI:10.1002/adma.201700321）

本文由材料人編輯昝菲編譯，李卓審核。材料人網尊重所有進行知識傳播的媒體，合作轉載請聯系tougao@cailiaoren.com

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