首页 > 行业资讯 > 东华大学武培怡/孙胜童团队《Adv. Mater.》：首例美学离子皮肤 - 实现应变不敏感触觉感知和纹理识别

东华大学武培怡/孙胜童团队《Adv. Mater.》：首例美学离子皮肤 - 实现应变不敏感触觉感知和纹理识别

时间：2023-03-05 来源： 浏览：

东华大学武培怡/孙胜童团队《Adv. Mater.》：首例美学离子皮肤 - 实现应变不敏感触觉感知和纹理识别

化学与材料科学
化学与材料科学

Chem-MSE

聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集

以下文章来源于高分子科技 ，作者老酒高分子

高分子科技 .

高分子科技®协同全球高分子产业门户及创新平台 “ 中国聚合物网 www.polymer.cn ” ，实时报道高分子科学前沿动态，关注和分享新材料、新工艺、新技术、新设备等一线科技创新设计、解决方案，促进产学研及市场一体化合作的共同发展。

点击蓝字关注我们

指纹是人体感知最灵敏的皮肤部位，其可拉伸的表面纹理结构不仅有助于物体抓握，也可精准感知所触摸物体的纹理和材质。近年来， 可拉伸离子皮肤材料 被广泛用于模拟皮肤和指纹的柔性触觉感知功能。与硬质电子皮肤不同，可拉伸离子皮肤用于触觉感知仍存在两个明显的 局限性 ：一是离子皮肤的压力感知灵敏度易产生应变畸变，即被拉伸后对压力的感知信号水平受到明显影响；二是即便被赋予表面纹理，仍缺乏可媲美指纹的精细纹理识别能力，这是因为离子皮肤的柔软表面凹凸易被压力和应变展平，难以有效传递振动信号。如何在不损失离子皮肤本征柔性和可拉伸性的前提下，赋予其触觉感知以 应变不敏感性和纹理识别能力 ，是制约高性能离子皮肤发展的瓶颈难题之一。

东华大学武培怡 - 孙胜童研究团队 近年来致力于仿生离子皮肤的凝聚态结构设计和功能强化：（ 1 ）基于两性离子超分子竞争网络开发了应变硬化自修复离子皮肤，提高了材料抵抗拉伸断裂的耐受性（ Nat. Commun.  2021, 12, 4082 ）；（ 2 ）模拟真实皮肤的可修复纳米纤维复合结构，通过高模量聚氨酯纳米纤维网与低模量离子导电基质复合，提升了离子皮肤抵抗循环裂纹扩展的疲劳耐受性（ Nat. Commun.  2022, 13, 4411 ）；（ 3 ）基于熵驱动的聚丙烯酸 - 矿物纳米簇可逆物理吸附相互作用，制备了可强烈热致硬化的离子导电水凝胶，提升了材料抵抗高温破坏的力学耐受性（ Angew. Chem. Int. Ed.  2022, 61, e202204960 ）；（ 4 ）模拟人体脂肪组织的二元分相复合结构，利用可自发相分离的高粘滞含氟共聚物构筑了兼有高阻尼、高回弹及自修复性能的离子皮肤材料（ Adv. Mater. 2023, 35, 2209581 ）。
近期，该研究团队注意到，指纹的高灵敏触觉感知能力主要源于 周期性凹凸结构的软硬模量差异 。指纹上下对称的硬质脊状突作为极好的 力学微杠杆 ，可将触觉振动信号迅速传递给真皮层的触觉感受器。此外，这些硬质脊状突具有 更小的拉伸变形量 ，可确保与所触摸物体的接触面积几乎不变，使指纹压力感知灵敏度免受应变畸变的干扰。受此启发，该研究团队通过 反应 - 扩散 介导 的非平衡生长过程 开发了一种可全面模拟指纹结构和触觉感知功能的 美学离子皮肤水凝胶 。它具有嵌入弹性水凝胶基质的周期性硬质脊状突 ，形貌上与真实指纹非常类似。包覆氟橡胶后用作自供电摩擦电触感传感器，即使拉伸至 50% 应变（人体皮肤的极限拉伸应变）， 压力感知灵敏度几乎保持不变 ，并可对所接触物体进行 精细纹理识别 。进一步与压阻离子凝胶耦合后，还可模拟指纹的 多模态 动静态 压力同步感知功能 ，极大拓展了离子皮肤在未来柔性触觉感知领域的应用潜力。
 

图 1.   美学离子皮肤的仿生设计与触觉感知功能
该美学离子皮肤水凝胶是通过典型的 Liesegang 非平衡反应 - 扩散过程 来制备的。具体来说，将高浓度的 CuCl 2 / 琼脂水凝胶置于低浓度的 K 2 CrO 4 / 聚丙烯酰胺水凝胶（预拉伸 5 0% ，图案化后释放）上， CuCr O 4 的快速沉淀反应与 Cu 2+ 沿凝胶基质的扩散过程达到了微妙的非平衡反应 - 扩散状态，从而最终形成贯穿整个水凝胶基质的指纹状环形纹理。在此过程中，水凝胶未反应的单体同步聚合，因而即使用酸洗除 CuCr O 4 晶体图案后，表面纹理仍然存在。图案化后的水凝胶可拉伸 1 1.5 倍，模量仅 3 4 kPa ，且图案随拉伸发生共形变形。微压痕测试表明，富集 CuCr O 4 晶体的脊状突具有较高的模量，因而 拉伸过程中纹理高度基本保持不变 。
 

图 2.  Liesegang 非平衡反应 - 扩散过程制备美学离子皮肤水凝胶
作者选择电负性极低的 PVDF-HFP-TFE 三元共聚氟橡胶包覆图案化水凝胶用作 单电极摩擦电传感器 。氟橡胶涂覆保留了图案化水凝胶的表面纹理结构，同时避免水凝胶长时间脱水。为证明具有软硬模量差异的美学离子皮肤的触觉传感优势，作者同时制备了 光滑平整的离子皮肤 和具有 软脊状突的 自褶皱离子皮肤 作为对比。结果表明，具有软硬模量差异的美学离子皮肤具有最高的压力感知灵敏度（ 1 .50 V kPa -1 ），且完全不受 5 0% 应变的影响，而对比样均存在明显的灵敏度应变畸变。这进一步证实了硬质脊状突的关键作用，即可以保证拉伸变形后与触摸物体的接触面积基本不变。此外，该美学离子皮肤对触摸物体的材质、频率和压力大小均具有较高的分辨能力，长期使用性能保持稳定。
 

图 3.  美学 离子皮肤 触觉压力感知 的应变不 敏感性
此外，该美学离子皮肤像指纹一样拥有分辨所接触物体纹理特征的能力。作者将离子皮肤传感器触摸不同粗糙度的砂纸，其触摸信号幅度和频率均随粗糙度增大而增大。将离子皮肤结合到机器手上抓取日常生活中的常见物体（如水果）可输出完全不同的电压波形。结合 化学计量学—主成分分析（ PCA ） ，可对多次触摸信号进行归类识别。
 

图 4.  美学 离子皮肤的纹理识别 能力
为进一步模拟指纹或皮肤的多模态触觉感知能力，作者将该美学离子皮肤与 聚硫辛酸离子凝胶 组合，制备了 人工 耦合 触觉传感器 。美学离子皮肤利用摩擦电效应可感知动态触摸信号（物体接触和分离过程），而离子凝胶利用压阻效应可实时感知静态压力持久信号。多场景模拟测试显示，该耦合传感器具有稳定的动静态多模态感知能力。
 

图 5.   人工耦合触觉传感器的自适应多模态感知
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” 为题，发表在《 Advanced Materials 》（ DOI: 10.1002/adma.202300593 ）上。东华大学化学与化工学院博士研究生 乔海燕 为文章第一作者， 孙胜童 研究员和 武培怡 教授为论文共同通讯作者。
该研究工作得到了国家自然科学基金重大项目、国际（地区）合作与交流项目、面上项目等的资助与支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202300593

相关进展

东华大学武培怡/焦玉聪团队《ACS Nano》：聚合物电解质内锂键调控实现高性能锂金属电池

东华大学武培怡/孙胜童团队《Adv. Mater.》：模拟人体脂肪组织构筑高阻尼自修复离子皮肤

东华大学武培怡教授课题组 Matter：水凝胶离子器件在信号处理和信息存储记忆方面的新进展

东华大学武培怡/焦玉聪团队 Angew：“质子水库” 凝胶电解质用于宽温域高性能Zn/PANI电池

东华大学武培怡/孙胜童团队《Nat. Commun.》：自修复纳米纤维网增韧离子皮肤 - 耐疲劳性能媲美真实皮肤

东华大学武培怡/孙胜童团队 Angew：熵驱动水凝胶热致硬化13000倍

东华大学武培怡/吴慧青团队《Nano Lett.》: 利用异氰酸酯一步构筑仿生Murray多孔膜

武培怡教授团队《Adv. Sci.》: 受揉面启发 - 定制多功能仿生皮肤

东华大学武培怡教授课题组《Adv. Funct. Mater.》：具有高电导率的抗疲劳离子热电池

东华大学武培怡/侯磊团队《Adv. Mater.》：基于氢键构筑兼具高强高模和水塑任意成形的“绿色”塑料 东华大学武培怡/焦玉聪团队《Adv. Mater.》：水凝胶电解质氢键调控助力锌离子电池抗冻

东华大学武培怡/焦玉聪团队《Adv. Sci.》：凝胶电解质官能团助力锌金属（002）晶面成核

东华大学武培怡教授课题组《Acc. Mater. Res.》：生物启发的准固态离子导体综述

武培怡教授团队《Adv. Funct. Mater.》：具有可定制力学性能的耐水离子凝胶电极用于水下生理信号监测

东华大学武培怡/焦玉聪团队《Small》：电解液添加剂助力水系锌离子电池实现宽温度范围内无枝晶生长

东华大学武培怡/孙胜童团队《Adv. Mater.》：受泳道启发，离电液晶弹性体纤维实现离子电导率随拉伸上千倍提升

武培怡教授课题组《Adv. Sci.》：一种多尺度结构调控MXene超电电极的策略及其在3D打印微型超电器件中的应用

东华大学武培怡教授课题组：时间分辨ATR-FTIR光谱研究锂电解质在P(VDF-HFP)中的扩散机制

东华大学武培怡教授课题组Joule：高功率密度和高强韧力学性能的离子热电池

东华大学武培怡教授团队《Small》:“智能粘附”的多功能水凝胶离子皮肤生物传感器

东华大学武培怡/孙胜童团队《Sci. Adv.》：湿纺连续制备大拉伸下电阻稳定的液态金属芯鞘超细纤维

东华大学武培怡/孙胜童团队《Mater. Horiz.》：受指纹结构启发构筑超高应变感知褶皱型离子导电芯鞘纤维

武培怡教授团队《Mater. Horiz.》：力学性能自增强的高透明离子凝胶用于水下超强粘附

武培怡教授团队ACS Nano：多功能智能可穿戴纤维织物

武培怡教授团队《Adv. Mater.》：可水下通信的光学伪装离子凝胶

东华大学武培怡教授/孙胜童研究员团队AFM：可自由涂覆的自适应离子凝胶油墨

武培怡教授课题组：小口香糖大变身，在家里也能制备智能传感器

东华大学武培怡教授课题组：多层级网络增强的水玻璃实现宽谱带光管理

东华大学武培怡教授课题组《Adv. Funct. Mater.》：具有诊疗功能的仿生离子皮肤

武培怡教授团队《NML》：3D打印MOF材料，“泡一泡”实现可调色发光

东华大学武培怡教授团队：水溶液自组装制备功能性超薄二维纳米材料

东华大学武培怡教授课题组：双聚合物协同机制构筑界面稳定的MOF纳米片温敏纳滤膜

武培怡教授团队《Adv. Sci.》：同步纳流体整流技术制备手性反转的GO液晶纤维

武培怡教授课题组：低频拉曼光谱解析温敏聚电解质复合物的离子相互作用类型

东华大学武培怡教授团队：自褶皱温敏水凝胶-弹性体复合管用于血管仿生流体压力传感与控制

武培怡教授团队：多重响应的纳米纤维素液晶纤维用于手性光学和先进织物

东华大学武培怡教授团队《AFM》：基于超高无机含量矿物塑性水凝胶制备可手动编辑任意形状的仿生结构复合材料

武培怡教授课题组：一种简单、高效制备聚合物纳米管的新方法

东华大学武培怡教授《Nat.Commun.》：大形变下离子传导率稳定的弹性体设计

复旦大学武培怡教授和上海大学安泽胜教授《Nature Communications》：聚合诱导自组装领域（PISA）取得重要进展

东华大学武培怡教授课题组报道具有截然不同相变行为的水凝胶及光学效果可调节的仿生皮肤

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：chem@chemshow.cn

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至chem@chemshow.cn，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。

版权：如无特殊注明，文章转载自网络，侵权请联系cnmhg168#163.com删除！文件均为网友上传，仅供研究和学习使用，务必24小时内删除。
相关推荐
热门信息