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  生物皮膚是生物體直接與外界環(huán)境接觸的智能器官，具有保護(hù)、感知、偽裝和通訊等多種功能。受生物皮膚的啟發(fā)，科研人員設(shè)計(jì)了許多智能仿生皮膚，包括電子皮膚、離子皮膚和光子皮膚。離子皮膚是一類新型智能材料，它可以通過(guò)模仿生物皮膚的離子傳導(dǎo)機(jī)制來(lái)感知各種外部刺激(如應(yīng)變、壓力和振動(dòng)等)，在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和健康管理等眾多應(yīng)用領(lǐng)域引起了人們廣泛的關(guān)注。目前，關(guān)于離子皮膚的研究均致力于提高材料的拉伸延展性和單一電信號(hào)傳感的靈敏度和穩(wěn)定性。然而，對(duì)于可穿戴材料所需的可視化顯示、多信號(hào)傳感以及特定的多功能性(如異質(zhì)黏附、抗菌、防偽和自供電等)一直被研究人員所忽視。這極大的限制了離子皮膚在人機(jī)交互和智能穿戴領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

  鑒于此，川大金勇教授團(tuán)隊(duì)受到自然界生物皮膚的啟發(fā)，首次通過(guò)一種不對(duì)稱的雙層結(jié)構(gòu)色水凝膠(ADSCH)，成功實(shí)現(xiàn)了同時(shí)具有異質(zhì)黏附、抗菌、防偽和自供電功能的光電雙信號(hào)傳感的交互式離子皮膚(如圖1)。其中，ADSCH的上層是通過(guò)犧牲模板法制備的具有反蛋白石結(jié)構(gòu)的聚陽(yáng)離子(疏水性季銨鹽-丙烯酰胺)水凝膠。下層是在上層基礎(chǔ)上通過(guò)層層逐步聚合制備的聚陰離子(丙烯酸-丙烯酸鈉)/聚多巴胺水凝膠。

  所得到的交互式離子皮膚具有良好的柔韌性、出色的拉伸延展性(~800%)、良好的導(dǎo)電性(~6 ms cm^-1)及鮮艷的結(jié)構(gòu)色。由于離子聚合物優(yōu)異的離子傳導(dǎo)性和水凝膠內(nèi)反蛋白石結(jié)構(gòu)引起的結(jié)構(gòu)色，該離子皮膚不僅可以通過(guò)改變相對(duì)電阻來(lái)顯示電信號(hào)，還可以根據(jù)光子晶體晶格間距的調(diào)整提供可視化的光信號(hào)。因此，該離子皮膚可以同時(shí)通過(guò)視覺顏色和相對(duì)電阻變化來(lái)監(jiān)測(cè)外界張力(GF：2.59；響應(yīng)時(shí)間：597 ms；機(jī)致變色靈敏度：1.34 nm %^-1)和壓力(靈敏度：-3.73 kPa^-1；響應(yīng)時(shí)間：400 ms；機(jī)致變色靈敏度：4.94 nm kPa^-1)。

  此外，該交互式離子皮膚還具有明顯的不對(duì)稱粘附性；其上層具有抗粘附性，可以防止灰塵或測(cè)試對(duì)象的粘附；而下層可以可逆地粘附在不同的基材上，包括玻璃、聚乙烯塑料、不銹鋼、紙板、羊皮和人體皮膚；這歸功于水凝膠內(nèi)具有粘附性的羧基和兒茶酚官能團(tuán)。上層的疏水性季銨鹽基團(tuán)也能賦予離子皮膚出色的抗菌能力(Log reduction＞4.44)。基于上述特定的功能，該離子皮膚可以粘附在人體皮膚上，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測(cè)。更重要的是，由于雙層具有不同電性能，離子皮膚可以被賦予自供電能力，從而收集運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械能。離子皮膚還可以被設(shè)計(jì)成彩色可變色條形碼，顯示出獨(dú)特的防偽和信息存儲(chǔ)功能。因此，該交互式多功能離子皮膚在人機(jī)交互、健康診斷和人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)等方面顯示出廣闊的應(yīng)用潛力。

 圖3. 交互式仿生離子皮膚的機(jī)致變色響應(yīng)。 

圖5. 交互式仿生離子皮膚的異質(zhì)黏附、抗菌及彩色條形碼功能。

圖6. 交互式仿生離子皮膚用于可視化監(jiān)測(cè)及自發(fā)電傳感。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722010981?via%3Dihub