吉林大学孙俊奇教授团队《AM》:高灵敏度、超耐用的离子皮肤

教育频道 2020-06-29

仿真皮肤的柔性传感器能够将多种刺激(应力、压力等)转化为电信号,是可穿戴电子器件、人机系统、植入式生物材料和软体机器人的核心原件。离子皮肤利用离子导电,仿真天然皮肤的功能,可以通过离子导电的可拉伸水凝胶或离子凝胶制取,与电子皮肤相比,在检测较小的应力时有更高的可靠性。但是制备能够准确检测大范围内的形变或压力,并且维持长久稳定性的离子皮肤绝非易事。通常来说,提高大应力范围内的灵敏度必然要壮烈牺牲机械强度,而低的机械强度使离子皮肤更容易出现缺陷,反过来又不利于长久的稳定性。

自伤口材料具备修复机械受损并完全恢复功能的能力,如润湿性、电导率/离子导电性、形状记忆和抗各种生锈等。这种可修复过程大都基于可逆的动态共价交联和超分子相互作用。彰显离子皮肤自修缮功能并伴以优异的机械性能才能进一步扩展其在现实中的应用。

吉林大学孙俊奇教授团队近日研发了一种超轻巧的离子皮肤,它不仅有自伤口功能、优异的弹性,浸入到聚脲-脲烷(PU)网络中的离子液体更是彰显材料抗疲劳性能,杨氏模量约为0.42 MPa,接近天然皮肤,在0.1 – 300%应变和0.1 – 20 kPa压力范围内都展现出出优异的灵敏性;并且在经历10000次不间断的突发事件循环、甚至在普通环境中保存200天后还能维持完整的检测性能。由于PU网络中存在共轭氢键和受阻脲键(hindered urea bonds;HUBs),断裂的离子皮肤可以在65 ℃条件下能够完全伤口,完全恢复完整的超强耐用和可信的检测性能。

图1 a) PU网络的化学结构;b) PU-IL离子凝胶制作过程示意图;c) PU-IL2离子凝胶数码照片及对应的原理结构

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