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  近年來，高仿真機器人技術發(fā)展迅猛，實際應用過程中可能會遇到一些火情的隱患，具有阻燃防護功能的人工皮膚顯示出特定場景下的重要應用潛力。同時，若人工皮膚在對內部器件進行保護的同時，還可對所外界高溫刺激進行響應，實現(xiàn)預警反饋與動作上的有害刺激規(guī)避，則賦予這類人工皮膚更大的應用價值。上�？萍即髮W凌盛杰課題組和合作者以蠶絲蛋白的高含鹽溶液及石墨烯為基本原料，采用一種高效的氣流輔助靜電紡絲方法，制備出了具有優(yōu)異阻燃效應和火情預警功能的蠶絲納米纖維/石墨烯多功能電子皮膚。近日，該成果以“Electro-Blown Spun Silk/Graphene Nano-Ionotronic Skin for Multifunctional Fire Protection and Alarm”為題，發(fā)表在Advanced Materials期刊上。

  納米纖維材料因其具備的可設計行強、透氣性好、可穿戴性能好等特點而在電子皮膚制備中受到廣泛關注。通常使用的靜電紡絲方法容易受到溶液導電性的影響，從而使得生產效率較難進一步提升。因此，研究團隊在電紡絲的基礎上，通過加入氣流輔助對紡絲射流進行強行糾偏與牽伸，從而實現(xiàn)了絲蛋白納米纖維的高速制備，其紡絲效率為同等條件下靜電紡絲的5-10倍。同時，作者選擇了環(huán)境友好、加工性好及物理機械性能可調節(jié)的絲蛋白作為主體材料，通過在紡絲過程中引入石墨烯和鈣離子實現(xiàn)材料的環(huán)境響應靈敏度與阻燃性的增強。最終可快速制備具有多級結構的絲蛋白納米纖維膜（圖1）。

圖1 基于蠶絲蛋白納米纖維的離子導體電子皮膚材料制備

  氣流輔助式電紡絲方法所制備的多級結構納米纖維膜內部結構具有良好的濕度響應性能，可在濕度誘導下通過改變纖維膜內部纖維之間的結構實現(xiàn)其力學性能的調控。同時，所制備的納米纖維膜在濕度誘導下還可實現(xiàn)在木片、塑料、紙片等界面的粘附，其黏附牢度與商用雙面膠相當（圖2）。

圖2 不同濕度環(huán)境處理下（a）絲蛋白/石墨烯離子導體納米纖維膜的力學性結構變化能與（b）內部結構變化；（c，d）所制備的納米纖維膜的黏附性能。

  此外，所制備的納米纖維膜顯示出良好的阻燃性能。其在接觸火焰時無熔滴、無二次火焰產生，在離開火焰時不發(fā)生續(xù)燃。研究者進一步對所制備材料的熱學性能進行了分析，并解釋了其良好的阻燃性歸功于材料在接觸明火時的水分蒸發(fā)散熱、燃燒氛圍的不燃氣體稀釋、致密層助燃氣體隔絕以及引入鹵素的自由基淬滅效應（圖3）。

圖3 （a）絲蛋白/石墨烯離子導體納米纖維膜的阻燃性能測試；（b）材料的阻燃機理；（c）絲纖維、絲蛋白離子導體、絲蛋白/石墨烯離子導體纖維的TGA曲線；（ｄ）絲蛋白/石墨烯離子導體纖維與（e）絲蛋白纖維的TGA-MS曲線

  根據(jù)所制備的絲蛋白/石墨烯離子導體納米纖維膜良好的阻燃及粘附性能，可將其貼附于物體表面實現(xiàn)火情下的阻燃防護（圖4a）。同時因所制備的納米纖維膜具有的良好的溫濕度變化響應性能，可將其接入電信號監(jiān)測系統(tǒng)，在遇明火時實現(xiàn)火情抑制并迅速且穩(wěn)定傳遞出特征信號，從而達到防護與預警同步的功能（圖4b）。由此開發(fā)了一套具有本地-云端-移動終端聯(lián)動的火情預警系統(tǒng)，材料可在接觸火焰后2s內迅速觸發(fā)報警機制，實現(xiàn)三終端同時報警的功能（圖4c-d）。此外，可將所制備的電子皮膚集成于機器人手部，在遇到火情刺激時激發(fā)機器人的自我保護機制，使其做出撤手等一系列規(guī)避危險的動作（圖4e-f）。

圖4 (a)所制備的材料的阻燃性能；(b)材料遇火時的電阻信號響應；(c-d)電子皮膚的阻燃及預警概念及實現(xiàn)；（e-f）絲蛋白電子皮膚應用于機器手的趨利性自我保護動作激發(fā)

  簡而言之，該研究采用了一種快速高效的納米纖維離子導體制備方法，結合電子信號分析處理系統(tǒng)設計，制備了貼敷型的阻燃預警多功能電子皮膚，為多功能電子皮膚的設計提供了新的思路。

  上海科技大學物質學院博士后曹雷濤與2019級碩士研究生劉強為本文第一作者；通訊作者為上�？萍即髮W物質學院凌盛杰研究員、塔夫茨大學（Tufts University）大學David L. Kaplan教授及東北林業(yè)大學陳文帥教授。上�？萍即髮W為第一完成單位。該研究得到了國家自然科學基金、中國科學院合肥大科學中心“高端用戶培育基金”、上海科技大學啟動資金、博士后面上基金、纖維改性國家重點實驗室開放課題等基金的資助。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102500