機械感測是皮膚的重要感覺能力，例如感測壓力以控制抓握并檢測彎曲角度以監(jiān)視身體運動。具有皮膚機械感測能力的電子皮膚（E-skin）被認為有希望應(yīng)用于假肢和高級機器人。然而，這些電子設(shè)備往往需要外接電源，或者自供電E-skin無法承受變形和機械損壞，因為這對于設(shè)備的剛性具有較高的要求。
受人類皮膚的自修復(fù)啟發(fā)，自愈聚合物有希望應(yīng)用于剛性和自供電的E-skin。之前報道的自供電E-skin的摩擦電層和電極往往由異質(zhì)材料組成，其摩擦電層和電極之間具有不同的模量和高模量失配，這導(dǎo)致在拉伸變形期間電極斷開或在界面處剝離。當(dāng)拉伸E-skin時，此問題會導(dǎo)致機械傳感能力的不穩(wěn)定。另外，異質(zhì)材料具有不同的自我修復(fù)能力，基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的自供電E-skin很難實現(xiàn)摩擦電層、電極以及斷裂后各層之間的界面的完全自修復(fù)。
成果
基于以上問題，北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張躍院士和廖慶亮教授團隊，制備出一種具有優(yōu)異機械韌性和自修復(fù)能力的導(dǎo)電聚氨酯彈性體（PUE）。基于PUE均勻結(jié)構(gòu)和摩擦電-靜電感應(yīng)效應(yīng)，開發(fā)了一種高強度且自供電的電子皮膚（HRSE-skin）。HRSE-skin在50％拉伸變形過程中具有穩(wěn)定的機械傳感能力。此外，由于均勻結(jié)構(gòu)具有完全自我修復(fù)能力，HRSE-skin在斷裂后可以恢復(fù)其拉伸性和機械傳感能力。相關(guān)成果以“Highly Robust and Self-Powered Electronic Skin Based on Tough Conductive Self-Healing Elastomer”為題發(fā)表在《ACS nano》上。
圖文解析
1.?設(shè)計策略和機械性能
具有優(yōu)異機械韌性和自修復(fù)能力的導(dǎo)電聚氨酯彈性體（PUE）被用于自供電E-skin。基于自愈絕緣/導(dǎo)電PUE均勻結(jié)構(gòu)和摩擦靜電感應(yīng)效應(yīng)，HRSE-skin高度堅固且自供電。絕緣PUE和導(dǎo)電PUE之間具有相似的模量、化學(xué)鍵和分子結(jié)構(gòu)，可以在均質(zhì)結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)低模量失配和完全自愈。HRSE-skin可以在接縫處滾動，并以35 N的張力拉伸至352％，表明具有出色的柔韌性和可拉伸性(圖1 d)。HRSE-skin的恢復(fù)滯后在第一個循環(huán)后約為10％，在隨后的50％拉伸變形過程中，拉伸環(huán)幾乎重疊（圖1 e）。HRSE-skin的循環(huán)拉伸性能與人體皮膚的可拉伸性（變形30％）相當(dāng)。以上結(jié)果表明，HRSE-skin具有出色的機械性能。
2.?工作原理和機械傳感能力
HRSE-skin是基于摩擦靜電感應(yīng)效應(yīng)，通過物體與HRSE-skin之間的電子轉(zhuǎn)移在接觸分離過程中形成變化的靜電場(圖2 a)。HRSE-skin的機械感測靈敏度定義為當(dāng)前壓力曲線的斜率。由于摩擦電荷飽和和接觸面積的增加，如圖2 b，隨著壓力的增大，斜率減小。并且，如圖2 c所示，在超過1000次重復(fù)的機械感測測試中，響應(yīng)電流沒有降級，而且，在機械傳感穩(wěn)定性測試中，表現(xiàn)出了優(yōu)異的穩(wěn)定性(圖2 d-2 f),表明HRSE-skin可廣泛應(yīng)用于機器人或假肢應(yīng)用中以實現(xiàn)穩(wěn)定的機械傳感。
3.?自愈能力
圖3顯示了基于絕緣/導(dǎo)電PUE膜的HRSE-skin的完全自我修復(fù)能力。經(jīng)過24 h后，相比于原始狀態(tài)，具有一定寬度的槽消失了。這種完全自我修復(fù)的能力可以歸因于具有相同分子鏈和化學(xué)鍵的完全有機均質(zhì)結(jié)構(gòu)。因此，可以在HRSE-skin皮膚上進行從電極到摩擦電層的完全自愈，而不會受到層間界面的阻礙。
4.?HRSE-skin的拉伸性和機械感測能力的自我修復(fù)
如圖4 a,將切斷自愈5 min后的HRSE-skin，發(fā)現(xiàn)電極的電阻變化太小而不會引起機械傳感能力的顯著下降。24 h后，HRSE-skin機械感測能力恢復(fù)到原來的92%，這些性能與原始狀態(tài)相同，表明通過延長自我修復(fù)時間恢復(fù)了HRSE-skin的機械傳感能力。而自愈后拉伸性卻不盡人意。為了提高其子自愈后的拉伸性，溫度從25升到了75℃。如圖4 a和4 b所示，在同一位置進行第三次自我修復(fù)后，拉伸能力和感測能力分別保持在85％和91％。即使重復(fù)10次自我修復(fù)后，拉伸能力的平均值也可達到為90％，表明HRSE-skin足夠堅固。
自我修復(fù)能力的偏差可能與重新連接后破裂的HRSE-skin無法完全對齊有關(guān)。HRSE-skin的未對齊表面的自修復(fù)效果不理想，因此可拉伸性的自修復(fù)效率會有所不同。當(dāng)設(shè)備遭受機械損壞時，出色的自我修復(fù)能力使HRSE-skin極為堅固。而HRSE-skin優(yōu)異的自愈能力是通過在PU分子鏈中引入二硫鍵和多重氫鍵來實現(xiàn)(圖4 c, d)。
5.?HRSE-skin的實際應(yīng)用
完美的自愈能力使骨折后的HRSE-skin具有可恢復(fù)的拉伸性和機械傳感能力。將與LED串聯(lián)的HRSE-skin切開，然后重新連接在一起。5 min后，重新連接的HRSE皮膚可以彎曲而不會破裂，并且LED的亮度得以恢復(fù)。75℃后加熱24 h，可以將自愈的HRSE-skin拉伸并用于感知手指彎曲(圖5 a，b)。這種完美的完全自我修復(fù)能力使HRSE-skin具有能力來抵抗機械損傷。此外，均勻結(jié)構(gòu)中的低模量失配使得HRSE-skin在變形過程中具有穩(wěn)定的機械傳感能力。如圖 5 c中所示，將HRSE-skin附著到假肢上以使其彎曲在一起，并以相似的壓力對其進行擠壓。圖5 d顯示了HRSE皮膚在彎曲和拉伸過程中對壓力的響應(yīng)電流沒有明顯變化。
結(jié)論
這項研究通過制備導(dǎo)電自愈PUE和構(gòu)建均勻結(jié)構(gòu)來解決自供電電子皮膚低剛性的問題，這個自供電E-skin對于在假肢和高級機器人的實際應(yīng)用具中有重要意義。
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