复旦大学Adv. Mater.：一种基于仿生矿物水凝胶的离子皮肤传感器

【引言】

近年来，能够模拟人体皮肤知觉功能和力学性能的智能传感器在物联网、人工智能、可穿戴设备和软物质机器人等领域都受到广泛关注和应用。其中的关键技术之一是要克服传统智能传感器件的刚性、不可折叠拉伸、破坏后无法自修复等缺点，发展大面积、低成本、轻质化、高灵敏、具有良好力学适应性以及多种感知能力的智能材料。为实现上述目标，国内外研究者们受到人体皮肤组成以及传感原理的启发，结合柔性、可拉伸、可自修复的电子/离子传输材料，发展了一系列可模拟人体皮肤功能的电子皮肤或离子皮肤设备。

【成果简介】

复旦大学武培怡教授(通讯作者)研究团队利用一种仿生矿物水凝胶，构筑了具有高灵敏度和良好力学适应性的离子皮肤传感器。水凝胶的制备方法是受自然界中虾壳结构和生物体内矿化过程的启发，以及通过对无定形矿物与常见高分子的红外光谱分析，利用无定形碳酸钙（ACC）纳米粒子、聚丙烯酸（PAA）和海藻酸钠三者物理交联而成，合成方法简单。制备的矿物水凝胶具有独特的粘弹性质，基于其构筑的电容式传感器具有较高的灵敏度和良好的力学适应性（包括柔性、可拉伸、易加工、完全自主自修复以及保持与动态界面的高度匹配），可以感知外界微小的压力变化（包括人体运动以及水滴落下等），不仅在人工智能、人机交互和可穿戴设备等领域显示了巨大的应用潜力，对于未来开发新型具有良好力学适应性的智能皮肤材料也具有一定的启发。相关成果以“A Bioinspired Mineral Hydrogel as a Self-Healable,Mechanically Adaptable Ionic Skin for Highly Sensitive Pressure Sensing”为题，发表在近日的Adv. Mater.杂志上。

【图文导读】

图1 ACC/PAA/海藻酸钠矿物水凝胶

a，ACC/PAA/海藻酸钠矿物水凝胶的结构示意图。

b，冷冻干燥后的ACC/PAA/海藻酸钠矿物水凝胶的扫描电镜图像。

c，对比ACC/PAA/海藻酸钠水凝胶和此前报道的ACC/PAA水凝胶的储能模量（G'）和损耗模量（G”）关系。

d，ACC/PAA/海藻酸钠水凝胶的可塑性。

e，水凝胶对非线性曲面以及运动曲面的高度贴合与匹配效果。

图2 矿物水凝胶电容式传感器的各种性能测试

a，水凝胶压力传感器设计示意图，由离子导体层与电介质层构成。

b，基于ACC/PAA/海藻酸钠水凝胶的压力传感器照片。

c，水凝胶压力传感器的压力灵敏度测试示意图。

d，水凝胶压力传感器在0-1 kPa范围内的电容-压力响应曲线。

e，电容-压力循环曲线图。

f-h，水凝胶压力传感器检测水滴落下的示意图，照片以及实时电容响应（箭头表示水滴落下的时刻）。

图3 ACC/PAA/海藻酸钠水凝胶作为离子皮肤可检测人体的肌肉运动及血压变化

a, 检测手指运动：示意图，水凝胶传感器附着在弯曲或伸直手指上的照片，以及手指周期性弯曲时，实时电容信号变化。

b, 检测喉部肌肉运动的效果：照片，示意图，以及当佩戴者大笑或说“你好”时，实时电容信号变化。

c, 检测血压变化：照片，示意图，以及当佩戴者手臂血压升高或降低时，实时电容信号变化。

图4基于水凝胶的离子皮肤的自修复效果

a, 破裂的水凝胶传感器照片。

b, 两个破裂的水凝胶相接触，裂痕在无外界刺激下可完全消失实现自修复（凝胶分别用罗丹明B以及亚甲基蓝染色）。

c, 自修复的水凝胶传感器照片。

d, 传感器在修复裂痕前后的电容，分别对应于a）和c）。

e, 自修复水凝胶传感器附着在伸直手指上。

f, 自修复水凝胶传感器附着在弯曲手指上。

g, 手指周期性弯曲时的实时电容响应。

【小结】

研究者研制出的基于仿生矿物水凝胶的电容式离子皮肤传感器，具有高灵敏、可拉伸和完全自主自修复的特点，能够贴合复杂曲面以及匹配动态表面。可以实时跟踪人体运动，感知轻柔的手指触摸，甚至微小水滴的落下。该工作拓宽了多功能水凝胶的研究思路，为开发新型具有良好力学适应性的智能皮肤提供了新途径。

【通讯作者简介】：

武培怡教授，复旦大学高分子科学系博士生导师、南京大学化学系高分子专业博士、德国ESSEN大学自然科学博士；2004年度获国家杰出青年基金；入选教育部首届新世纪人才计划；2007年入选上海市优秀学科带头人计划；2016年当选英国皇家化学会会士。主要研究方向为二维相关光谱在聚合物体系中的应用、刺激响应聚合物的设计与分子机理研究、聚合物功能膜材料、多功能聚合物复合水凝胶等。2000年至今以通讯作者发表SCI论文170余篇，引用6000余次。

文献链接：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）

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