超快自主自愈离子电子皮肤，用于高灵敏压力传感
2022-12-16 14:48:29 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员提出一种氯（Cl）官能化离子电子压敏材料（CLiPS），通过将Cl官能化基团引入聚氨酯（PU）基体设计而成。该CLiPS材料具有超快自愈速度、高自愈效率以及机械敏感的压电离子动力效应，可为触觉传感器提供出色的压力灵敏度。
人体皮肤是重要的身体器官，在受到外部伤害时具有自我修复能力，并且具有基于离子电子效应的机械感受系统，可检测压力、应变和扭转。人体皮肤的自愈特性和离子传感能力为可拉伸离子电子皮肤（e-skin）的设计提供了极具价值的基础。然而，从电子到离子机械敏感皮肤，在均质系统中同时实现出色的自主自愈性能、弹性和对离子动力效应的有效控制非常具有挑战性。离子电子材料又容易受到持续磨损造成的意外机械损坏，导致功能损坏，影响器件使用寿命。因此，设计同时具有优异自愈性能、良好弹性和有效离子动力效应的离子电子系统至关重要。
据麦姆斯咨询报道，近期，韩国汉阳大学（Hanyang University）、忠南大学（Chungnam National University）和中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究人员共同提出一种氯（Cl）官能化离子电子压敏材料（CLiPS），通过将Cl官能化基团引入聚氨酯（PU）基体设计而成。该CLiPS材料具有超快自愈速度（4.3 μm/min）、高自愈效率（60分钟内达到91%）以及机械敏感的压电离子动力效应，可为触觉传感器提供出色的压力灵敏度（7.36 kPa⁻¹）。相关研究成果已发表于Nature Communications期刊。
在该项研究中，受到人体皮肤机械感受器的自愈特性和离子动力效应启发，研究人员提出CLiPS的概念设计，模拟了人类皮肤的卓越功能。CLiPS材料采用CI功能化聚氨酯（CLPU）基体设计，该基体由高链迁移率异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）和动态二硫键组成，能够在没有外部刺激的情况下自主自愈。由于Cl官能化基团的固有韧性，可以实现出色的弹性恢复。此外，还引入了离子液体（IL），基于Cl基团和离子对之间的离子-偶极相互作用，建立了压电离子机制（机械敏感的离子阱和释放行为）。
基于CLiPS的电子皮肤分子结构和概念设计机制
由于CLPU的分子特性，基于CLiPS的压容式（piezocapacitive）器件在室温下即使没有外部刺激时，也表现出快速的自愈速度。此外，IPDI结构通过提供高聚合物链迁移率来增强二硫键动态交换反应的活化，同时保持其韧性，从而极大地促进了CLiPS的自愈效率。由于IPDI和Cl基团的综合韧性，CLiPS能够在没有任何约束的情况下表现出优异的弹性恢复（100%）。
为了证实CLiPS强大的自主自愈效率，研究人员对愈合的样品进行了不同时间间隔的应力-应变测试。结果表明60分钟内的最大自修复效率为91%。此外，与其他室温自修复介电弹性体和具有不同愈合机理的离子基材料（包括亚胺键、金属配位键、氢键、二硫键、静电相互作用及其组合）相比，CLiPS表现出4.3μm/min的快速自修复速度。验证了所提出的CLiPS在自我修复方面具备卓越的性能优势。
基于CLiPS的电子皮肤器件自主自愈演示
该研究设计的基于CLiPS的电子皮肤器件为在均质系统中同时实现快速自愈特性和机械敏感离子动力效应奠定了基础。通过一系列实验，研究人员验证了基于CLiPS的电子皮肤器件具备出色的压力传感性能，以及有效的压电离子机制。该CLiPS即使在自愈后也能保持良好的传感特性。基于CLiPS的器件在不同施加偏置电压（1 mV、100 mV和1 V）下、不同频率（1 kHz、100 Hz和20 Hz）下均具有良好的压容式压力检测能力。在动态增加的压力下，该器件也表现出高度稳定性和可重复的电容变化。此外，基于CLiPS的电子皮肤器件具备非凡的耐用性和结构完整性，以及出色的响应和恢复时间。
基于CLiPS的电子皮肤器件传感性能和实际应用
总而言之，研究人员受人体皮肤的自愈特性和机械感受系统的启发，开发出一种CLiPS材料，该材料不仅表现出优异的自主自愈性能，而且具有机械敏感的压电离子动力效应，可用于触觉传感器，为其提供出色的压力灵敏度。研究表明，基于CLiPS的电子皮肤器件可以感知各种压力，验证了其在下一代可穿戴技术和更智能的人机交互领域的触摸调制应用潜力。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35434-8
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