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  皮膚作為人體與周圍環境的界面，是人體中最大的器官，它融合了多種受體，能夠識別外界環境中的復雜刺激。此外，皮膚的重要特征是損傷后具有明顯的自愈能力。基于仿生學的理念，電子皮膚作為人工智能的重要組成部分受到越來越多的關注，廣泛應用于健康監測、機器人、植入式假體和人機界面等領域。值得注意的是，無論在哪個領域，柔性電子皮膚都需要對外界刺激做出響應，才能實現動態變形的傳感效果。雖然電子皮膚目前已經取得很大的發展，但限制電子皮膚蓬勃發展的兩個重要問題仍然需要解決。第一，傳統的電子皮膚通常要很長時間進行自我修復。第二，作為應變傳感器的電子皮膚不能區分方向。快速自愈能力可以保證電子皮膚系統的穩定運行，而方向識別性可以使電子皮膚更加智能化，從而適合實際應用。因此，進一步探索具有快速自愈和方向識別能力的電子皮膚是有必要的，但目前仍具有很高的挑戰性。

  近期華東師范大學潘麗坤教授課題組和徐敏教授課題組合作報道了一種具有方向可識別性和超快自愈能力的聚乙烯醇(PVA)/4-甲酰基苯硼酸(Bn)/聚乙烯亞胺(PEI)/Ti₃C₂Tx MXene (PBPM) 雙網絡水凝膠。通過PVA和PEI與Bn交聯形成聚合物網絡，加入導電材料MXene到該聚合物網絡中合成雙網絡水凝膠（圖一）。將PBPM水凝膠應用于電子皮膚，不僅具有超快的自修復能力，而且作為柔性應變傳感器還具有方向識別性能，這種方向識別能力在本研究中首次被報道，為電子皮膚在實際應用中奠定了基礎。

圖一 PBPM水凝膠的合成和結構示意圖

  自愈是電子皮膚的一個重要特征。由于動態可逆共價鍵和超分子協同相互作用，PBPM水凝膠表現出超快的自愈能力，可在損傷后恢復其力學性能和導電能力（圖二）。Bn作為PVA的羥基和PEI的氨基之間的交聯劑，形成動態的硼酸鹽和亞胺鍵，構成水凝膠的基本骨架，賦予水凝膠自愈能力。值得注意的是，該水凝膠自愈時間僅僅只需要大約0.06 s，機械性能可恢復至100%，與以往的報道相比，大大縮短了自修復時間，顯示了其優異的快速自愈能力，突出了其在電子皮膚和其他柔性電子器件上的應用潛力。

圖二 PBPM水凝膠超快自修復性能

  有趣的是，基于PBPM水凝膠的應變傳感器還具有方向識別能力，這與對不同刺激的正/負響應有關，這種方向感知特征在以往的研究中很少被報道。具體來說，當PBPM水凝膠傳感器接收到來自兩個相反方向的刺激時，它可以相應地做出正負電信號響應。如圖三所示，當低頭時，PBPM水凝膠應變傳感器的電阻增大，相對電阻變化（RRC）正向增強。然而，當抬頭時，電阻減小，RRC沿負方向增加，這表明頭部向下/向上的動作導致傳感器在相反的方向響應。因此，通過RRC正負響應可以區分頭部運動的方向，凸顯了PBPM水凝膠在電子皮膚智能化應變傳感器中的廣闊應用前景。

圖三 PBPM水凝膠應變傳感器頭部運動方向可識別性能

  另外，如圖四所示，基于PBPM水凝膠的應變傳感器不僅可以檢測到人體的大動作，還可以識別細微的動作。利用PBPM水凝膠進一步感知手指書寫運動，與傳統的基于水凝膠的傳感器相比，PBPM水凝膠傳感器真正模擬人體皮膚來感知書寫，而不是將水凝膠做成類似書寫板進行書寫識別。由于筆跡的獨特特點，包括人的手指張力和書寫方向不同，PBPM水凝膠傳感器可以產生不同的特征電信號，從而區分書寫的不同字母。并且，當重復書寫相同的字母時，特征信號仍然保持良好的重復性和穩定性。

圖四 PBPM水凝膠作為電子皮膚應變傳感器用于人類書寫檢測。(a-h)書寫不同字母的信號響應。(i)實時手寫的RRC信號響應曲線

  該研究成果以“A direction-aware and ultrafast self-healing dual network hydrogel for a flexible electronic skin strain sensor”為題，發表于《Journal of Materials Chemistry A》 （DOI: 10.1039/D0TA08987G）。碩士生彭文武為第一作者，徐敏教授和潘麗坤教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金（No. 21875068）的支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D0TA08987G