华东师大潘丽坤教授和徐敏教授合作：方向可识别和超快自修复双网络水凝胶电子皮肤

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皮肤作为人体与周围环境的界面，是人体中最大的器官，它融合了多种受体，能够识别外界环境中的复杂刺激。此外，皮肤的重要特征是损伤后具有明显的自愈能力。基于仿生学的理念，电子皮肤作为人工智能的重要组成部分受到越来越多的关注，广泛应用于健康监测、机器人、植入式假体和人机界面等领域。值得注意的是，无论在哪个领域，柔性电子皮肤都需要对外界刺激做出响应，才能实现动态变形的传感效果。虽然电子皮肤目前已经取得很大的发展，但限制电子皮肤蓬勃发展的两个重要问题仍然需要解决。第一，传统的电子皮肤通常要很长时间进行自我修复。第二，作为应变传感器的电子皮肤不能区分方向。快速自愈能力可以保证电子皮肤系统的稳定运行，而方向识别性可以使电子皮肤更加智能化，从而适合实际应用。因此，进一步探索具有快速自愈和方向识别能力的电子皮肤是有必要的，但目前仍具有很高的挑战性。

近期华东师范大学潘丽坤教授课题组和徐敏教授课题组合作报道了一种具有方向可识别性和超快自愈能力的聚乙烯醇(PVA)/4-甲酰基苯硼酸(Bn)/聚乙烯亚胺(PEI)/Ti₃C₂Tx MXene (PBPM) 双网络水凝胶。通过PVA和PEI与Bn交联形成聚合物网络，加入导电材料MXene到该聚合物网络中合成双网络水凝胶（图一）。将PBPM水凝胶应用于电子皮肤，不仅具有超快的自修复能力，而且作为柔性应变传感器还具有方向识别性能，这种方向识别能力在本研究中首次被报道，为电子皮肤在实际应用中奠定了基础。

图一 PBPM水凝胶的合成和结构示意图

自愈是电子皮肤的一个重要特征。由于动态可逆共价键和超分子协同相互作用，PBPM水凝胶表现出超快的自愈能力，可在损伤后恢复其力学性能和导电能力（图二）。Bn作为PVA的羟基和PEI的氨基之间的交联剂，形成动态的硼酸盐和亚胺键，构成水凝胶的基本骨架，赋予水凝胶自愈能力。值得注意的是，该水凝胶自愈时间仅仅只需要大约0.06 s，机械性能可恢复至100%，与以往的报道相比，大大缩短了自修复时间，显示了其优异的快速自愈能力，突出了其在电子皮肤和其他柔性电子器件上的应用潜力。

图二 PBPM水凝胶超快自修复性能

有趣的是，基于PBPM水凝胶的应变传感器还具有方向识别能力，这与对不同刺激的正/负响应有关，这种方向感知特征在以往的研究中很少被报道。具体来说，当PBPM水凝胶传感器接收到来自两个相反方向的刺激时，它可以相应地做出正负电信号响应。如图三所示，当低头时，PBPM水凝胶应变传感器的电阻增大，相对电阻变化（RRC）正向增强。然而，当抬头时，电阻减小，RRC沿负方向增加，这表明头部向下/向上的动作导致传感器在相反的方向响应。因此，通过RRC正负响应可以区分头部运动的方向，凸显了PBPM水凝胶在电子皮肤智能化应变传感器中的广阔应用前景。

图三 PBPM水凝胶应变传感器头部运动方向可识别性能

另外，如图四所示，基于PBPM水凝胶的应变传感器不仅可以检测到人体的大动作，还可以识别细微的动作。利用PBPM水凝胶进一步感知手指书写运动，与传统的基于水凝胶的传感器相比，PBPM水凝胶传感器真正模拟人体皮肤来感知书写，而不是将水凝胶做成类似书写板进行书写识别。由于笔迹的独特特点，包括人的手指张力和书写方向不同，PBPM水凝胶传感器可以产生不同的特征电信号，从而区分书写的不同字母。并且，当重复书写相同的字母时，特征信号仍然保持良好的重复性和稳定性。

图四 PBPM水凝胶作为电子皮肤应变传感器用于人类书写检测。(a-h)书写不同字母的信号响应。(i)实时手写的RRC信号响应曲线

该研究成果以“A direction-aware and ultrafast self-healing dual network hydrogel for a flexible electronic skin strain sensor”为题，发表于《Journal of Materials Chemistry A》 （DOI: 10.1039/D0TA08987G）。硕士生彭文武为第一作者，徐敏教授和潘丽坤教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（No. 21875068）的支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1039/D0TA08987G

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