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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(jīng)過了幾萬年的演化形成了一套特殊的生理結(jié)構(gòu)，其展現(xiàn)的抗凍，抗干燥，自適應(yīng)等特征能夠保障他們在復(fù)雜多變和極端環(huán)境下生存。而對于人類，皮膚作為人體最大的器官通常充當(dāng)人體內(nèi)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(jīng)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(huán)境的刺激。皮膚的這些功能是通過其內(nèi)部相應(yīng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。例如，其高度抗形變的膠原蛋白和彈性纖維網(wǎng)絡(luò)用于承受物理變形；保濕物質(zhì)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(jīng)元如力學(xué)感受器，溫覺感受器及疼痛感受器，可將外部刺激轉(zhuǎn)化成鉀鈉離子的移動和動作電位在神經(jīng)細胞中的傳遞。皮膚的這些結(jié)構(gòu)特征為我們設(shè)計新型可拉伸電子帶來了啟發(fā)。通過精巧地設(shè)計并組合相關(guān)電子元器件及彈性體材料，研究人員已成功開發(fā)出諸如電子皮膚（electronic skin）等仿人體皮膚的電子設(shè)備，并在可穿戴電子，可穿戴康復(fù)機械人和軟體機器人等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景。值得注意的，由于仿生皮膚和軟體機器人之間優(yōu)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(fā)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(huán)境適應(yīng)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(yōu)異的生物兼容性，更加接近生物組織的機械和電學(xué)特性，近年來收到了大量關(guān)注。然而，目前離子水凝膠在低溫環(huán)境容易結(jié)冰而失去變形能力和導(dǎo)電性；同時，傳統(tǒng)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(yīng)用場景中的使用；此外，傳統(tǒng)離子水凝膠在環(huán)境中易失水的問題也亟待解決。

圖1. 高拉伸，抗凍，環(huán)境穩(wěn)定，強粘附仿生水凝膠離子皮膚（iSkin）的設(shè)計思路

  基于上述問題，日前，多倫多大學(xué)機械工程系劉新宇教授團隊聯(lián)合麥吉爾大學(xué)機械工程系助理教授李劍宇團隊，研發(fā)了一款高拉伸性、強抗凍性、環(huán)境穩(wěn)定性和強表面粘附性的離子凝膠仿生皮膚 （iSkin），成果以《An Antifreezing, Ambient-Stable and Highly Stretchable Ionic Skin with Strong Surface Adhesion for Wearable Sensing and Soft Robotics》為題發(fā)表在材料領(lǐng)域知名期刊Advanced Functional Materials上。該離子仿生皮膚選取了經(jīng)典雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠Alginate-PAAm為模型，通過調(diào)控甘油和食鹽濃度以置換水凝膠中的自由水，從而優(yōu)化保濕，抗凍和導(dǎo)電性等綜合能力。通過表面旋涂帶正電的橋連聚合物和耦合劑，該水凝膠離子皮膚能和任何具有表面官能團的基底形成化學(xué)鍵 ，其中包括人體組織，干燥或者出汗的皮膚表面，表面功能化的滌綸纖維和彈性體等，從而實現(xiàn)干/濕表面的強粘貼 （圖1）。這些屬性賦予了iSkin在極端環(huán)境下在可穿戴傳感以及軟體機器人方面的應(yīng)用前景。

本文研究亮點：

  1. 增韌機理中，Alginate-PAAm雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的韌性和拉伸性對于高濃度的單價鹽離子極其敏感， 本文首次發(fā)現(xiàn)添加甘油能夠解決這一機械性能下降問題。

  2. 粘貼機理中，帶正電橋連聚合物和耦合劑 的粘貼性能對外界離子特別敏感， 本文首次發(fā)現(xiàn)甘油的添加能夠維持這一化學(xué)鍵合能力。

  3. 潛在應(yīng)用中，由于水凝膠獨特的表面粘貼特性和極強的抗凍能力（零下93度)， 本文首次展示了極端環(huán)境下這種離子仿生皮膚在軟體機器人大變形感知方面的應(yīng)用前景。

實驗結(jié)果：

  為展示該材料的潛在應(yīng)用場景，作者將iSkin粘附在羽絨服的手臂關(guān)節(jié)處并可以在低溫下（-10.6攝氏度）監(jiān)測手臂的彎曲與伸展（圖2）。此外，作者將iSkin粘附在膝蓋皮膚表面并進行30分鐘的劇烈運動，展現(xiàn)了iSkin在皮膚干燥、出汗和動態(tài)的行動下具有的粘附性和運動感知能力（圖2）。作者還利用iSkin的應(yīng)變傳感功能自制智能手套，通過人機交互控制機械手做出了“i love you”的手語動作 （圖2）。

圖2. iSkin應(yīng)用于低溫可穿戴傳感和人機互動

  在軟體機器人方面，鑲嵌了iSkin傳感器的軟機械器能夠更準(zhǔn)確的感知充氣和變形，結(jié)合機器學(xué)習(xí)從而能夠更準(zhǔn)確的判斷物品（圖3）。

圖3. iSkin用于軟體機械手的感知。

  此外，鑲嵌了iSkin傳感器的四足軟體機器人能夠在極寒環(huán)境中感知機器人的爬行或者走路狀態(tài) （圖4） 。

圖4. iSkin用于四足軟體爬行機器人的抗凍感知。

  這一特點為今后在極端惡劣條件下軟體機器人的閉環(huán)控制提供了可能。

  論文第一作者應(yīng)斌斌博士曾在麥吉爾大學(xué)和多倫多大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)，目前正在麻省理工學(xué)院機械工程系從事博士后研究工作。研究方向為ingestible bioelectronics and biosensors。

  多倫多大學(xué)劉新宇教授為本文通訊作者。多倫多大學(xué)劉新宇教授團隊長期致力于微納和軟體機器人學(xué)、柔性電子器件、微流控器件與系統(tǒng)等機理研究以及應(yīng)用開發(fā)。多倫多大學(xué)工程系本科生陳澤元和左潤澤為本文共同第二作者。其他合作作者包括麥吉爾大學(xué)助理教授李劍宇。該研究受到了加拿大自然科學(xué)和工程研究理事會和加拿大創(chuàng)新基金會的資助。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104665