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東華大學武培怡/孫勝童團隊《Adv. Mater.》：首例美學離子皮膚 - 實現應變不敏感觸覺感知和紋理識別

2023-03-03 來源：高分子科技

關鍵詞：美學離子皮膚水凝膠彈性水凝膠精細紋理識別多模態動靜態壓力同步感知離子皮膚

指紋是人體感知最靈敏的皮膚部位，其可拉伸的表面紋理結構不僅有助于物體抓握，也可精準感知所觸摸物體的紋理和材質。近年來，可拉伸離子皮膚材料被廣泛用于模擬皮膚和指紋的柔性觸覺感知功能。與硬質電子皮膚不同，可拉伸離子皮膚用于觸覺感知仍存在兩個明顯的局限性：一是離子皮膚的壓力感知靈敏度易產生應變畸變，即被拉伸后對壓力的感知信號水平受到明顯影響；二是即便被賦予表面紋理，仍缺乏可媲美指紋的精細紋理識別能力，這是因為離子皮膚的柔軟表面凹凸易被壓力和應變展平，難以有效傳遞振動信號。如何在不損失離子皮膚本征柔性和可拉伸性的前提下，賦予其觸覺感知以應變不敏感性和紋理識別能力，是制約高性能離子皮膚發展的瓶頸難題之一。

東華大學武培怡-孫勝童研究團隊近年來致力于仿生離子皮膚的凝聚態結構設計和功能強化：（1）基于兩性離子超分子競爭網絡開發了應變硬化自修復離子皮膚，提高了材料抵抗拉伸斷裂的耐受性（Nat. Commun. 2021, 12, 4082）；（2）模擬真實皮膚的可修復納米纖維復合結構，通過高模量聚氨酯納米纖維網與低模量離子導電基質復合，提升了離子皮膚抵抗循環裂紋擴展的疲勞耐受性（Nat. Commun. 2022, 13, 4411）；（3）基于熵驅動的聚丙烯酸-礦物納米簇可逆物理吸附相互作用，制備了可強烈熱致硬化的離子導電水凝膠，提升了材料抵抗高溫破壞的力學耐受性（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202204960）；（4）模擬人體脂肪組織的二元分相復合結構，利用可自發相分離的高粘滯含氟共聚物構筑了兼有高阻尼、高回彈及自修復性能的離子皮膚材料（Adv. Mater. 2023, 35, 2209581）。

近期，該研究團隊注意到，指紋的高靈敏觸覺感知能力主要源于周期性凹凸結構的軟硬模量差異。指紋上下對稱的硬質脊狀突作為極好的力學微杠桿，可將觸覺振動信號迅速傳遞給真皮層的觸覺感受器。此外，這些硬質脊狀突具有更小的拉伸變形量，可確保與所觸摸物體的接觸面積幾乎不變，使指紋壓力感知靈敏度免受應變畸變的干擾。受此啟發，該研究團隊通過反應-擴散介導的非平衡生長過程開發了一種可全面模擬指紋結構和觸覺感知功能的美學離子皮膚水凝膠。它具有嵌入彈性水凝膠基質的周期性硬質脊狀突，形貌上與真實指紋非常類似。包覆氟橡膠后用作自供電摩擦電觸感傳感器，即使拉伸至50%應變（人體皮膚的極限拉伸應變），壓力感知靈敏度幾乎保持不變，并可對所接觸物體進行精細紋理識別。進一步與壓阻離子凝膠耦合后，還可模擬指紋的多模態動靜態壓力同步感知功能，極大拓展了離子皮膚在未來柔性觸覺感知領域的應用潛力。

圖1. 美學離子皮膚的仿生設計與觸覺感知功能

該美學離子皮膚水凝膠是通過典型的Liesegang非平衡反應-擴散過程來制備的。具體來說，將高濃度的CuCl₂/瓊脂水凝膠置于低濃度的K₂CrO₄/聚丙烯酰胺水凝膠（預拉伸50%，圖案化后釋放）上，CuCrO₄的快速沉淀反應與Cu²⁺沿凝膠基質的擴散過程達到了微妙的非平衡反應-擴散狀態，從而最終形成貫穿整個水凝膠基質的指紋狀環形紋理。在此過程中，水凝膠未反應的單體同步聚合，因而即使用酸洗除CuCrO₄晶體圖案后，表面紋理仍然存在。圖案化后的水凝膠可拉伸11.5倍，模量僅34 kPa，且圖案隨拉伸發生共形變形。微壓痕測試表明，富集CuCrO₄晶體的脊狀突具有較高的模量，因而拉伸過程中紋理高度基本保持不變。

圖2. Liesegang非平衡反應-擴散過程制備美學離子皮膚水凝膠

作者選擇電負性極低的PVDF-HFP-TFE三元共聚氟橡膠包覆圖案化水凝膠用作單電極摩擦電傳感器。氟橡膠涂覆保留了圖案化水凝膠的表面紋理結構，同時避免水凝膠長時間脫水。為證明具有軟硬模量差異的美學離子皮膚的觸覺傳感優勢，作者同時制備了光滑平整的離子皮膚和具有軟脊狀突的自褶皺離子皮膚作為對比。結果表明，具有軟硬模量差異的美學離子皮膚具有最高的壓力感知靈敏度（1.50 V kPa^-1），且完全不受50%應變的影響，而對比樣均存在明顯的靈敏度應變畸變。這進一步證實了硬質脊狀突的關鍵作用，即可以保證拉伸變形后與觸摸物體的接觸面積基本不變。此外，該美學離子皮膚對觸摸物體的材質、頻率和壓力大小均具有較高的分辨能力，長期使用性能保持穩定。

圖3. 美學離子皮膚觸覺壓力感知的應變不敏感性

此外，該美學離子皮膚像指紋一樣擁有分辨所接觸物體紋理特征的能力。作者將離子皮膚傳感器觸摸不同粗糙度的砂紙，其觸摸信號幅度和頻率均隨粗糙度增大而增大。將離子皮膚結合到機器手上抓取日常生活中的常見物體（如水果）可輸出完全不同的電壓波形。結合化學計量學—主成分分析（PCA），可對多次觸摸信號進行歸類識別。

圖4. 美學離子皮膚的紋理識別能力

為進一步模擬指紋或皮膚的多模態觸覺感知能力，作者將該美學離子皮膚與聚硫辛酸離子凝膠組合，制備了人工耦合觸覺傳感器。美學離子皮膚利用摩擦電效應可感知動態觸摸信號（物體接觸和分離過程），而離子凝膠利用壓阻效應可實時感知靜態壓力持久信號。多場景模擬測試顯示，該耦合傳感器具有穩定的動靜態多模態感知能力。

圖5. 人工耦合觸覺傳感器的自適應多模態感知

以上研究成果近期以“Non-equilibrium-Growing Aesthetic Ionic Skin for Fingertip-Like Strain-Undisturbed Tactile Sensation and Texture Recognition”為題，發表在《Advanced Materials》（DOI: 10.1002/adma.202300593）上。東華大學化學與化工學院博士研究生喬海燕為文章第一作者，孫勝童研究員和武培怡教授為論文共同通訊作者。
該研究工作得到了國家自然科學基金重大項目、國際（地區）合作與交流項目、面上項目等的資助與支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202300593

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（責任編輯：xu）

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