苏州大学严锋教授课题组：基于聚离子液体水凝胶的抗冻离子皮肤
近年来，能够将外界刺激转化为电信号的柔性传感器在可穿戴设备、电子皮肤和软机器人等人工智能领域展示出了巨大的发展前景。水凝胶由于其良好的生物相容性，导电性和拉伸性等性质，被广泛应用在离子皮肤等领域。传统的水凝胶人工皮肤由于水分子的冻结，在零度以下不可避免地丧失了自愈性、透明性、导电性和可拉伸性。因此，研究制备出一种既有良好的生物相容性，又能在低温下保持拉伸性和高电导性的水凝胶具有重要的意义。
图1. 聚离子液体抗冻水凝胶的化学结构
苏州大学严锋教授课题组最近合成了一种双性聚离子液体，并用于抗冻水凝胶的制备。由于双性离子液体单元和水分子间较强的偶极作用，制备的聚离子液体水凝胶在-20 ℃时，依然具有良好的可拉伸性(∼900%)、导电性（1.1 S m-1）以及自修复性。利用分子动力学模拟，进一步研究了水分子在低温下和含双性离子液体聚合物主链间的作用，证实了双性离子液体对水分子结晶的抑制作用。基于该凝胶，设计了一种包括电容、电阻和摩擦电传感的多模式离子皮肤。通过与柔性机械抓手的结合，检测了该聚离子液体凝胶在不同环境下的性能。
图2. 聚离子液体水凝胶在低温下的流变、拉伸、电导率和自修复测试。
电容模式
电阻模式
摩擦电模式
图3. 基于聚离子液体水凝胶软体机械手
在电容模式时，离子皮肤可以利用形变产生的电容的变化来识别压力；在电阻模式时，利用温度对离子运动的促进和抑制，感知温度的升高与降低；在摩擦电模式时，由于不同的材料有不同的摩擦电系数，因而可以用来区分材料。
刘子央(苏州大学)、王越(University of Illinois at Urbana-Champaign)为该论文共同第一作者。
论文发表：Z. Liu, Y. Wang, Y. Ren, G. Jin, C. Zhang, W. Chen, F. Yan*, Poly(ionic liquid) Hydrogel-based Anti-freezing Ionic Skin for Soft Robotic Gripper, Mater. Horiz. 2019, DOI: 10.1039/C9MH01688K.
https://doi.org/10.1039/C9MH01688K
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