华东师范大学徐敏、潘丽坤教授课题组：具有多种刺激响应和特异性识别的天然高分子导电水凝胶仿生电子皮肤
仿生电子皮肤是一种结合了传感技术和机电转换技术的电子设备，能够模仿人体皮肤保护肢体、感知和识别环境变化。近年来，以柔性传感器为主的仿生电子皮肤，因其具有灵敏的机电转换特性以及优异的柔韧性受到研究者的广泛关注，其中以导电水凝胶为材料的柔性传感器凭借同时具备优异的力学性能（高强度、高延展性、高弹性）、机电转换性能（高灵敏度、宽应变响应范围）和生物相容性等特点，在可穿戴电子设备，健康监测传感器、软体机器人、生物医学假体以及仿生电子皮肤等领域展现出广阔的应用前景。目前大多数柔性传感器的研究主要集中于单一的功能，如应力应变、温度或湿度等，然而，单一的功能性无法满足仿生电子皮肤的应用需求。此外，皮肤经常受到多种刺激的复合作用，如温度和压力的同时作用。如何同时响应并区分这些复合作用仍然是研究的难点。因此，实现柔性传感器的多功能一体化，开发具有多种刺激响应和识别能力的仿生电子皮肤，仍面临很大的挑战。
近期，华东师范大学徐敏教授课题组和潘丽坤教授课题组合作以天然高分子海藻酸钠为主体，引入带有相反电性的功能单体（丙烯酸和丙烯酰胺）和无机盐（氯化钠），成功合成了一种两性离子型天然高分子导电水凝胶（图1）。将其应用于仿生电子皮肤，不仅能够对多种外界环境刺激具有响应性，还能够对温度和应力的复合作用进行特异性识别，在柔性可穿戴电子设备领域具有潜在的应用前景。
图1 两性离子型天然高分子导电水凝胶合成示意图。(A-E)水凝胶力学性能图。
借助凝胶骨架结构中大量相反电性官能团间的动态相互作用，导电水凝胶表现出优异的力学性能（在0.27 MPa条件下，拉伸倍率达到1480%）。同时，金属离子在凝胶结构中的自由迁移为水凝胶提供了优异的导电性（2.2 S·m-1）。凭借水凝胶自身柔韧性和导电性，这种两性离子型天然高分子导电水凝胶表现出优异的机电转换特性，如图2 所示（其检测应变范围0-1000%，最小应力值10 Pa，检测频率2.0 Hz，GF为11，响应时间为100 ms）。以其为仿生电子皮肤，不仅能够对人体运动的频率、幅度和时间跨度等信息进行实时检测，而且对多种外界环境刺激如温度、湿度、盐度、吹风、下雨等也都表现出灵敏的响应性。
图2 两性离子型天然高分子导电水凝胶机电转换性能
该水凝胶另一个重要的特性就是能够特异识别温度和应力的复合作用。由于导电水凝胶对于温度刺激存在响应滞后的特点，这种滞后现象会在水凝胶反馈的电信号上产生显著差异。利用这一特点，通过对反馈电信号的波形图进行解析就能够对温度和应力的复合作用准确识别，如图3所示。该工作对于设计具有多种刺激响应和特异性识别的水凝胶仿生电子皮肤提供了新的思路。
图3 两性离子型天然高分子导电水凝胶多种刺激响应性和特异识别性（温度和应力）
该研究成果以“Multiple Stimuli Responsive and Identifiable Zwitterionic Ionic Conductive Hydrogel for Bionic Electronic Skin”为题，发表于Advanced Electronic Materials DOI：10.1002/aelm.202000239，文章的共同第一作者为华东师范大学物理与电子科学学院的博士后黄海龙和博士生韩卢，徐敏教授和潘丽坤教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金的支持。
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