背景
作為人體最大的器官，皮膚可以感知外部刺激並將其轉換為生理信號以進行神經識別。隨著人工智慧、軟機器人和可穿戴設備的不斷發展，人造皮膚有望成為人機互動的重要媒介，引起了工業和學術界的廣泛關注。
水凝膠是一類先進的材料，其優異的生物相容性、光學透明性、自修復能力和可拉伸等特性，使其被廣泛用於柔性電子產品和仿生設備中。然而，大多傳統的基於水凝膠的人造皮膚不可避免地會在低溫下失去其諸多性能，從而阻礙了其實際應用。因此，亟需開發在極端環境條件下仍能保持性能的新型水凝膠。
亮點
近期，蘇州大學嚴鋒教授設計併合成了一種基於兩性離子的PIL防凍水凝膠，可用於多種模式的人工皮膚。該水凝膠具有高達1050%的超強拉伸性及出色的自愈能力和高電導率，可以在一台設備中實現電容、電阻和摩擦電三種傳感模式，並能在-20°C至60°C的寬溫度範圍下穩定運行。這種多模式傳感器的進一步應用將為開發具有多功能性和適應性的刺激響應性人工皮膚提供一種新的研究方向。
如圖1所示，研究人員通過1-乙烯基-3-羧甲基-咪唑（ZIL）和丙烯醯胺（AAm）的自由基共聚製備PIL凝膠。先將AAm、ZIL和KCl溶解在去離子水中獲得前體溶液；然後添加APS和TEMDA作為引發劑和催化劑，製得凝膠在室溫下固化30分鐘。
圖1. PIL凝膠的化學結構
防凍性能
水凝膠的厚度和形狀可以通過模具控制，而且能夠切成任何所需的大小和形狀，並具有很高的透明度。圖2、3顯示將水凝膠切成所需的形狀並置於-20℃的環境下，PAAm和PAAm/KCl水凝膠均迅速從透明變為不透明和易碎，而PIL凝膠則保持透明和柔性狀態，表明PIL凝膠十分優異的防凍性能。
圖2. 水凝膠的防凍性能測試
圖3. 水凝膠的防凍性能測試
機械性能
隨後，研究人員測試了PIL凝膠的機械性能。從圖4可以看出當溫度降低至-20時，PIL凝膠的G′僅略有上升，這表明PIL凝膠在低溫下也具有穩定的彈性。圖4、5拉伸性能測試可以看出在20℃時PIL凝膠的拉伸性能高達1050％，即使在-20℃的低溫下仍高達900％。
圖4. 機械性能測試
圖5. -20℃下的拉伸性能測試
自修復性能
人體皮膚的基本特徵是受損後的自主恢復。由於兩性離子IL間的離子鍵和丙烯醯胺基團間的氫鍵可在聚合物側鏈內形成可逆交聯，因此該PIL凝膠具有自愈特性，圖6顯示了其自修復能力，將切割的PIL凝膠互相接觸，即可在6小時內實現癒合。
圖6. -20℃下的自修復性能測試
隨後，研究人員將可商購的VHB膠帶用作介電材料，並如圖7所示將兩片PIL凝膠夾在VHB中，由於VHB和PIL凝膠都是可自修復的，因此PIL皮膚表現出與人類皮膚類似的自修復能力。並可將PIL皮膚作為導體，當割成兩片時，LED燈管立即熄滅；再將兩塊相互接觸，LED隨即恢復功能。表明該PIL皮膚具有優異的導電性和自修復能力。
圖7. PIL皮膚的設計和測試
應用測試
圖8顯示了研究人員基於PIL凝膠組成的平行板電容器。可通過電容變化檢測壓力大小，並顯示在500個周期內恆定的電容信號變化，表明該PIL皮膚的穩定性。圖8E示出了分別夾持木質球形、方形和金字塔形的機器人爪。電容信號隨著接觸面積的減小而增加。表明該水凝膠可由其優異的性能而廣泛用於傳感器領域。
圖8. 電容模式下的PIL皮膚
如圖9所示，研究人員基於PIL凝膠製造了可以檢測壓力的單電極摩擦電納米發生器。可在-20至60℃的溫度範圍保持電壓穩定，表明其具有極強的穩定性。圖9D顯示了木質和鋁製球在相同壓力下的夾持過程，電壓輸出變化表明該機器人爪可以區分具有不同溫度和表面粗糙度的材料。
圖9. 摩擦電模式下的PIL皮膚
本篇文章中，研究人員基於合成的防凍PIL凝膠，製造了用於軟機器人的多模態人造皮膚。並成功證明了一種用於人造皮膚的實用傳感器，可在一台設備中將電容式感應、熱敏電阻性能和摩擦電效應進行開創性地組合，表明該PIL皮膚具有在複雜情況下感應多個信號的能力。我們相信這項技術不僅為多模式傳感器的進一步發展提出了一種新方法，而且有望推動下一代智能皮膚設備的發展！
原文連結：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/mh/c9mh01688k#!divAbstract
來源：高分子科學前沿
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