采用微相分离设计，开发具有可识别和抗干扰多感官功能的全方位离子水凝胶

研究背景

皮肤是人体最全面、用途最广的器官，可提供保护并接收外部感官刺激。人造电子皮肤旨在模仿天然皮肤的多种感官功能和独特的机械特性，已被应用于先进机器人、智能医疗诊断可附着皮肤的可穿戴设备和人机界面等领域。作为躯体感觉系统的主要部分，人体皮肤以感受到多种感觉，并通过不同的机械感受器(由皮肤中的离子导体组成)对多种刺激进行解耦而不受干扰，具有很高的分辨能力。此外，皮肤还具有耐人寻味的机械特性，包括柔软性、弹性、抗疲劳性和应变刚度行为，这使得嵌入式机械感受器能够以高感应精度、可靠性和卓越的鲁棒性来感知机械干扰。尽管皮肤具有这些令人印象深刻的特性，但其生理功能很容易受到恶劣气候条件的影响。例如，人体皮肤缺乏抗冻能力，低温环境会降低其传感和保护功能，并增加其对机械应力的敏感性。因此，人们开发了人造电子皮肤，以模拟皮肤的综合感官和机械特性，同时增加新的理想特性，如抗冻性。

受天然皮肤的离子传导性和含水特性的启发，人们开发了基于聚合物水凝胶的可拉伸离子导体，这种导体在开发人工感知皮肤方面显示出巨大的潜力。各种离子水凝胶已被应用于可穿戴传感设备的设计，这些设备可检测应变、压力或温度等刺激。尽管离子水凝胶传感器的开发取得了显著进展，但目前还没有关于可拉伸离子水凝胶同时具有稳健、可分辨的多种传感功能、类似皮肤的机械特性以及非常理想的抗冻能力的报道。以往的研究已经在一种可拉伸离子水凝胶中实现了多种感官功能，但通常是将多种刺激转换成一种电信号输出，如电阻或电容变化。因此，它们无法解耦多种信号的干扰，缺乏刺激的可分辨性和传感的鲁棒性。

虽然可拉伸水凝胶和离子导电水凝胶的报道屡见不鲜但大多数水凝胶都无法兼具皮肤般的机械和物理特性以及抗冻特性，因为一些关键的材料参数之间存在着内在的折衷关系。首先传统聚合物水凝胶在拉伸性和滞后性之间存在权衡。高回弹性和低滞后性是获得稳定耐用的可拉伸材料的必要条件，因为拉伸材料需要重复运动或负载。然而，由于悬链松弛或化学键断裂，具有良好拉伸性的聚合物水凝胶通常难以实现低滞后和高回弹。其次，聚合物水凝胶在其拉伸性和离子传导性之间表现出另一种折衷。聚电解质水凝胶的一个关键特性是离子导电性，但由于其溶胀率高且缺乏应力消散机制，因此通常机械性能较弱。双网增韧策略包括在聚电解质基质中引入致密的中性聚合物，或使用另一种具有等效反电荷的聚电解质形成致密的聚电解质复合物。这些方法都是为了提高聚电解质水凝胶的拉伸性和韧性而开发的，但它们通常采用聚电解质作为脆性和牺牲性的第一网络，在拉伸时耗散能量，因此不可避免地会导致不可逆的机械降解、较大的滞后和离子电导率下降。第三，传统水凝胶的抗冻性能和机械性能之间存在权衡问题。几乎所有报道的抗冻凝胶都是有机凝胶 (包括有机/水凝胶)或含有离子化合物、天然蛋白质和碳纳米材料等抗冻添加剂的亲水性水凝胶。然而，随着添加剂含量的增加，含有抗冻添加剂的水凝胶的机械性能会明显降低。迄今为止，还没有关于可拉伸离子水凝胶具有类似皮肤的多种感官功能、优异的机械性能和皮肤不抗冻性能的报道。

研究成果

人工电子皮肤应用强烈要求可拉伸离子水凝胶具有卓越的全面特性，能够检测多模态感觉对多种刺激具有高分辨解耦能力，对外界干扰具有高鲁棒性。然而，对于大多数离子水凝胶来说，一些关键的材料参数之间存在着内在的折衷关系。在这里，南开大学梁嘉杰教授团队展示了一种微相分离的水凝胶设计，它结合了三种策略: (1) 使用低交联剂/单体比获得高度纠缠的聚合物链作为第一网络；(2)在第一网络中引入齐聚物，(3)合成超软聚电解质作为第二网络。这种方法制造出了一种全方位的弹性离子水凝胶，具有皮肤般的低杨氏模量 (< 60 kPa)、大拉性(>900%)、高回弹性(>95%)、低滞后(< 5%)、独特的应变刚性行为、出色的耐疲劳性高离子导电性(>2.0 S/m)和抗冻性，这些都是以前的离子水凝胶无法实现的。这些综合性能使离子水凝胶成为一种可拉伸的多模态传感器，能够检测和解耦多种刺激(温度、压力和接近度)，具有很高的可辨别性和灵敏度。它还对应变和温度扰动表现出很强的传感鲁棒性。这种离子水凝胶传感器在智能电子皮肤应用方面具有巨大潜力，例如可靠的健康监测和准确的物体识别。相关研究以“A Microphase-Separated Design Toward an All-Round Ionic Hydrogel with Discriminable and Anti-Disturbance Multisensory Functions”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Design principle and characterization of PAS/PD-IPN hydrogel.

Figure 2. Mechanical and anti-freezing properties of PAS/PD-IPN hydrogel.

Figure 3. Ionic conductivity and application of PAS/PD-IPN hydrogel for electrophysiological signal detection.

Figure 4. Thermal sensing performance of PAS/PD-IPN hydrogel.

Figure 5. Capacitive pressure sensing performance of PAS/PD-IPN hydrogel.

Figure 6. Proximity sensing performance of PAS/PD-IPN hydrogel.

Figure 7. Multiple sensing for substance identification.

总结与展望

在此，作者提出了一种设计和制造具有微相分离结构的全方位多感官离子水凝胶的独特策略。高度纠缠的第一网络与齐聚物共聚，使其能够与聚电解质第二网络形成强烈的相互作用。这些相互作用促进了离子水凝胶微相分离微结构的形成，从而使其具有优异的机械性能，包括类肤杨氏模量(< 60 kPa)、高拉伸性(> 900%)、卓越的弹性(回弹性 >95%，滞后 <5%)应变加固行为和出色的耐疲劳性。齐聚物和聚电解质的存在还赋予了离子水凝胶理想的保湿和抗冻性能。离子水凝胶在较大的拉伸应变和零下温度条件下仍能保持较高的离子电导率和离子塞贝克系数。最重要的是，离子水凝胶皮肤可分别通过离子热电效应、压电效应和边缘场效应检测和解耦多种刺激 (温度、压力和接近度)。机械和物理效应的协同作用使离子水凝胶传感器具有高达 7.5 kPa-1 的电容压力灵敏度 (检测极限为 1Pa)、0.1℃的温度感应分辨率，以及对大应变 (>200%)和零度以下温度扰动的出色感应鲁棒性。这种离子水凝胶传感器显示出在智能电子皮肤应用方面的巨大潜力，例如可靠的健康监测和准确的物体识别。

文献链接

A Microphase-Separated Design Toward an All-Round Ionic Hydrogel with Discriminable and Anti-Disturbance Multisensory Functions

转自：“i学术i科研”微信公众号

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