Advanced Functional Materials:一种可用于多功能电子皮肤的抗穿刺、自修复柔性聚合物材料

柔性电子皮肤在人机互动和可穿戴医疗传感器、触觉设备、机器人人造皮肤领域发挥着重要作用。为了更好的模拟人体皮肤,电子皮肤应该具备对外界刺激(压力,温度等)的多重响应能力和类人体皮肤的抵抗破坏能力。

目前,多功能电子皮肤的制备主要有两种方法,一种是通过在柔性聚合物基底上集成具备探测压力、温度或其他刺激的传感器及阵列,另一种是将有机半导体和柔性材料物理共混。然而,前者面临着层压图案复杂化和不同功能传感器的有效集成问题,后者也存在制造工艺繁琐,缺乏材料均一性和性能稳定性等问题。在类皮肤材料的制备方面也面临着材料本身柔性、韧性及自修复能力的平衡。

最近,南京大学李承辉教授课题组采用刚柔并济的策略:将硫辛酸和甲基丙烯磺酸钠反应的聚合物链段作为柔性链段,将聚苯胺作为刚性链段。借鉴纳米材料中的离子键的增强增韧效果,他们选择以离子键作为桥梁,将两者有效结合。其中,聚苯胺以质子酸掺杂的形式分布在聚合物网络中。

图1 聚合物材料的主要构成与结构

由于氢键和离子键的协同作用,该聚合物材料表现出高柔性:拉伸速率为10mm/min 时断裂伸长量高达40×。在具备高柔性的同时也具有较强的韧性:抗撕裂性:撕裂能为5668±20J·m−2远高于人体组织(1000J·m-2);切口不敏感性;耐穿刺能力:穿刺能为69.05±0.38mJ。

图2 (a)不同速率下的拉伸曲线;(b)400%应变下的循环拉伸曲线;(c)切口不敏感性;(d) 50mm/min下的穿刺曲线

在具备优异机械性能同时,材料保持良好的自修复能力。室温下修复12小时即可达到97.14%的修复效率。经过切割的材料,在简单的接触修复之后,仍然可以进行拉伸。

图3 (a)室温条件下修复不同时间后的拉伸曲线;(b)不同修复时间下的修复效率;(c)材料在被切断后经过简单接触修复后的修复情况

由于聚苯胺在质子酸掺杂后的导电性,聚合物杂化凝胶具有良好的导电性。由该材料和铜片简单组装的传感器可以将应变和温度变化转化为线性电信号变化,从而可以检测生理信号(如体温、呼吸和局部关节运动)。作者初步将该传感器置于水杯外侧,可以由电阻变化检测出冷热温差;同理,在传感器上方哈气也可检测出电信号变化;该传感器对于40℃和室温的循环检测,也具有较高的循环稳定性。此外,传感器也可以检测不同压力按下,喉咙发音运动以及手指弯曲等机械信号。基于这些优越的性能,表明MASTA–PANI5在可穿戴领域和生理信号检测方面的具有巨大的潜力。

图4 (a)传感器在温水和热水刺激下的阻值变化;(b)传感器在室温与40℃循环下的高稳定性工作;(c)传感器在接受哈气刺激时的阻值变化;(d)在不同力度按压刺激下的阻值响应;(e)将传感器贴于喉咙出发音时的阻值变化情况;(f)将传感器贴于食指关节处弯曲不同角度时的阻值变化情况。

论文第一作者为南京大学博士研究生侯可心,通讯作者为南京大学李承辉教授和赵培臣博士。上述工作得到国家自然科学基金面上项目(21631006,21771100)的资助。

论文信息:

A Puncture-Resistant and Self-Healing Conductive Gel for Multifunctional Electronic Skin

Ke-Xin Hou,Shu-Peng Zhao,Da-Peng Wang,Pei-Chen Zhao*,Cheng-Hui Li*,Jing-Lin Zuo,

Advanced Functional Materials

DOI:10.1002/adfm.202107006

文献链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107006