可伸縮離子皮膚
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-04
可伸縮離子皮膚的實例教程
而對于人類，皮膚作為人體最大的器官通常充當人體內部物理，溫度和濕度保護屏障，并控制著身體與外界的水分交換。同時皮膚中包含大量的神經感知單元可以用來感受諸如壓力，形變，溫度,濕度和疼痛等來自外部環境的刺激。皮膚的這些功能是通過其內部相應的復雜結構來實現的。例如，其高度抗形變的膠原蛋白和彈性纖維網絡用于承受物理變形；保濕物質如吡咯烷酮羧酸（pyrrolidone carboxylic acid) 用于鎖水；皮下脂肪細胞用于抵御寒冷；多種感知神經元如力學感受器，溫覺感受器及疼痛感受器，可將外部刺激轉化成鉀鈉離子的移動和動作電位在神經細胞中的傳遞。皮膚的這些結構特征為我們設計新型可拉伸電子帶來了啟發。通過精巧地設計并組合相關電子元器件及彈性體材料，研究人員已成功開發出諸如電子皮膚（electronic skin）等仿人體皮膚的電子設備，并在可穿戴電子，可穿戴康復機械人和軟體機器人等領域展現了巨大的應用前景。值得注意的，由于仿生皮膚和軟體機器人之間優異的機械性能匹配和功能互補，目前已有大量研究精力投入到開發適合集成到軟體機器人的可拉伸和可穿戴仿生電子皮膚，從而確保更安全，更智能的人機互動和環境適應性。
在這些傳感材料中，以離子水凝膠為代表的軟材料，由于其優異的生物兼容性，更加接近生物組織的機械和電學特性，近年來收到了大量關注。然而，目前離子水凝膠在低溫環境容易結冰而失去變形能力和導電性；同時，傳統離子水凝膠通常不具備良好的表面粘附能力， 從而影響其在可穿戴和軟體機械人等大變形應用場景中的使用；此外，傳統離子水凝膠在環境中易失水的問題也亟待解決。
圖1.
展開 2.3自供電MCP水凝膠傳感器的組裝和應用
MCP水凝膠具有極佳的可拉伸性，類似皮膚的楊氏模量，導電性，抗干燥和抗凍性以及透明性，是可穿戴應變傳感器制造的有希望的候選者。此外，與以前報道的可穿戴傳感器不同，MCP水凝膠可以實現自供電的應變感應。圖5a描繪了自供電基于水凝膠的壓力和應變傳感器的組裝過程。詳細地，將鋅和銅片放在20 wt％MCP水凝膠的上表面和下表面，然后連接到電線。如圖5b和c所示，自供電傳感器可以通過相對電流的變化快速，穩定地響應壓力和應變信號。
圖
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a）由20 wt％MCP水凝膠組裝而成的自供電壓力和應變傳感器的示意圖。傳感器相對于（b）壓縮和（c）應變的相對電流變化。（d）壓縮和拉伸過程中電阻和電流變化的示意圖。（e）不同角度的手臂彎曲。（f）在
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24°C時進行壓力感應。（g）自供電傳感器的應變傳感穩定性。
除了實現應變感應之外，水凝膠傳感器還可以在極端環境下為小型電子設備供電。
如圖6a所示，組裝了由8個水凝膠單元組成的自供電離子皮膚，并實現了約4.4 V的最大輸出電壓（圖6b）。離子皮膚可以很容易地為蜂鳴器供電（圖6c）并在-20°C和40°C下點亮LED燈泡（圖6d）。此外，離子皮膚還可以用作自供電運動感應的大面積可穿戴傳感器（圖6e）。以上結果支持這樣的結論，即自供電傳感器可以應用于各種極端和能源匱乏的環境。
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（a）是使用自供電的MCP水凝膠基皮膚組裝而成的串聯電路的示意圖。（b）開路電壓隨水凝膠單位數量的串聯而變化。（c）離子皮膚激活蜂鳴器。（d）-20°C和40°C的離子皮膚照明小燈泡的照片。（e）自供電離子皮膚的應變感應過程。
【結論】
簡而言之，成功設計并制造了以水果電池為靈感的經濟型自供電水凝膠離子皮膚。
展開 與之形成鮮明對比的是，盡管這些機械性能對于類似皮膚的可穿戴電子設備的順應性、可愈合性和自我保護性也是非常理想的，但能夠模仿自然皮膚的全方位感覺、自愈合和應變硬化特性的人工離子皮膚仍然很少見。
雖然高伸縮性和自愈合離子皮膚已有大量報道，但大多數合成離子導體是應變軟化。可拉伸離子導體的彈性、自愈性和應變硬化之間常常存在矛盾。在傳統彈性體中，良好的彈性依賴于強共價鍵交聯，這允許材料在熵增益的驅動下完全恢復其原始狀態。相比之下，自愈通常是通過再生動態非共價鍵來重組內在的彈性網絡。拉伸這樣的動態網絡，通常伴隨著交聯密度的降低和應力的松弛，導致材料的模量顯著衰減，大變形后彈性恢復差。另一方面，應變-硬化材料通常包含兩個不同的剛性網絡，它們逐步展開以協同軟性和堅固性。因此，在設計多尺度聚合物網絡時，合成彈性的、自愈合的、應變增強的離子導體，面臨著一個重大挑戰。這些聚合物網絡同時具有動態的、強交聯的以及超分子弱鍵，以模擬天然皮膚中堅硬的膠原纖維和柔軟的彈性蛋白基質各自的作用。迄今為止，還沒有同時兼具有良好彈性、完全自愈合和獨特應變強化性能的可拉伸離子導體的報道。
在此，研究者通過在氫鍵(H-鍵)聚羧酸鏈網絡中引入熵驅動的超分子兩性離子競爭網絡，設計和制備了一系列高彈性、透明、自愈合、應變增強的質子導電離子皮膚。與依賴于大量溶劑的水凝膠和離子凝膠不同，目前的離子 彈性體中僅存在水的平衡含水率。這一特性使得分子間的二聚氫鍵足夠強，可以在環境條件下交聯聚羧酸鏈，但在高濕度條件下會變得動態，允許完全自愈。重要的是，由弱復雜的兩性離子組成的兩性離子網絡，有助于離子 彈性體的初始柔軟性，隨后在拉伸過程中碎裂，產生極大的增強H-鍵聚羧酸網絡。
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自然界中，哺乳類動物，魚類，蛙類，昆蟲類以及細菌類等生物經過了幾萬年的演化形成了一套特殊的生理結構，其展現的抗凍，抗干燥，自適應等特征能夠保障他們在復雜多變和極端環境下生存。而對于人類，皮膚作為人體最大的器官通常充當人體內部物理，溫度和濕度保護屏障，并控制著身體與外界的水分交換。同時皮膚中包含大量的神經感知單元可以用來感受諸如壓力
【科研摘要】
由水凝膠制成的應變傳感器和仿生皮膚已被迅速開發用于人體運動檢測。然而，使用水凝膠實現自供電傳感具有巨大的應用前景和挑戰。最近，
福
建農林大學
曹石林副教授/馬曉娟副教授/陳禮輝教授/倪永浩教授
團隊
設計并制造了一種以水果電池為靈感的經濟型自供電水凝膠傳感器，
該傳感器集高拉伸性（約
830％），類似皮膚的楊氏模量（約30 kPa），
