西安科技大学屈孟男教授团队JMCA： 具有仿生微结构的超灵敏高弹性离子凝胶皮肤用于多信号检测、高精度运动监测及可穿戴水下传感

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类皮肤离子导电凝胶材料由于其良好的生物相容性、优异的力学性能与可修饰性在人工电子皮肤和可穿戴传感领域引起了广泛的关注。然而，大多数现有的离子凝胶材料在机械耐久性和对叠加刺激的感知性能方面仍存在很多不足。构建具有多级微纳米结构的离子凝胶被认为是提高凝胶材料传感性能和多信号检测与识别能力的一个有效策略，然而这种特殊微纳米结构的构建通常涉及到特殊精密仪器设备。此外，在实际应用中，离子凝胶传感器被期望在高湿度环境(如汗液呼吸检测、湿度监测)或水下(如游泳者运动监测和机器人传感系统)能有效、稳定地工作。然而，离子导电凝胶由于其亲液性通常会在潮湿环境中吸水溶胀，导致其力学性能与传感性能不稳定。因此，探索简单有效的策略来开发高灵敏、耐用、良好环境适应性以及对多种刺激（如拉力、压力、温度等）具有出色传感与识别能力的新一代类皮肤离子凝胶传感器，是实现理想仿生皮肤的必要条件，但仍具有挑战性。

 近日，西安科技大学化学与化工学院屈孟男教授团队在J. Mater. Chem. A (IF:12.732) 上发表了题为“Ultra-sensitive, durable and stretchable ionic skins with biomimetic micronanostructures for multi-signal detection, high-precision motion monitoring, and underwater sensing”的论文。本论文通过生物模板法基于耐用且导电的WPU/mHNTs-ILs离子凝胶制备出一种具有仿生微结构的多功能离子皮肤（MIS）。这种离子凝胶是通过化学-机械相互作用，将mHNTs和[EMIM][TFSI]固定在由交联的WPU形成的聚合物网络中而获得的。其中，mHNTs用作纳米填料，以增强离子凝胶的机械性能并减少其吸水性，[EMIM][TFSI]作为导电离子液体，由于[EMIM]和[TFSI]都是疏水离子，可在离子凝胶基体中自由移动，从而有助于提高离子凝胶的导电性。MIS基体中化学键和机械键的共存赋予了其优异的力学性能。此外，特殊的单侧微纳米结构使其具备多类型信号检测能力。尽管具有上述优势，但WPU聚合物的固有的亲水性会导致MIS在潮湿环境中的传感性能不稳定。鉴于此，作者以高导电性 MIS 作为离子导电层，通过将 MIS 膜封装在两层丙烯酸弹性体膜之间，开发出具有优异超疏水性的 MIS传感器。由于表面独特的微纳结构和各种功能的巧妙结合，所制备的 MIS 传感器具有出色的传感性能，对应变 (0.1-400%)、压力 (0.001-15 kPa) 和温度 (25-95 °C) 表现出宽的传感范围，超低的检测限（0.1% 应变和0.001 kPa 压力）、快速响应（67 ms ~ 400%应变）、和超耐用的稳定性（超过 10000 次不间断的应变或压缩循环测试）。与现有离子凝胶传感器相比展现出具有竞争力甚至优越的综合性能。在应用方面，这种多功能 MIS 传感器不仅可以应用于可穿戴运动监测、多信号检测和高精度书写笔画识别，还能够检测由液滴或波浪、机器鱼或人体动作引起的水下微小振动，表现出高灵敏度、快速响应，卓越的耐用性及优异的可扩展性，在人体健康监测、人机交互、海洋环境保护和海洋生物研究等多种应用领域展现出良好的应用潜力，并且为开发用于可穿戴传感器和水下检测电子设备的高灵敏、多模式传感离子凝胶提供有前景的策略。  本文要点：图1 (a) 通过模板法制备基于WPU/mHNTs-ILs离子凝胶的具有微纳米结构i-skin (MIS)的示意图。(b-d)新鲜芦苇叶片背面(b)、PDMS转移模板(c)、和制备得到的MIS膜(d) 的SEM图像。(e,f) MIS膜的横截面形貌。(g)所制备MIS的数码照片及其化学组成示意图。 (h)基于MIS的多功能传感器示意图，该传感器是通过将一层MIS薄膜(可拉伸离子导体)夹在两层VHB胶带(绝缘体)之间制备得到的。(i-k) MIS基传感器的不同传感模式示意图，包括(i)应变模式、(j)压力模式和(k)温度模式。(l)基于MIS的高灵敏度、快速响应的传感器在空气和水环境中的可穿戴传感应用示意图。  
图2 (a) MIS基传感器的相对电阻随拉伸应变的变化。(b)在0 ~ 650% 应变范围内部分典型报告中的导电凝胶应变传感器的应变测量因子。 (c,d) MIS基传感器 (d)在大应变范围和(c)应变拉伸至100%的不同拉伸频率下的相对电阻变化。(e,f) MIS基传感器在(e) 100%应变下经过10000次拉伸循环和(f) 400%应变下经过5000次拉伸循环的传感性能稳定性测试。(g) MIS基传感器的相对电阻随压力作用变化。(h-j)在0.001 ~ 0.05 KPa (h)和0.1 ~ 0.5 KPa(i)的小压力范围内，以及在1.5 KPa压力的不同压缩频率作用下(j) MIS基传感器的相对电阻变化。(k) 1.5 KPa (2 Hz) 压力下基于MIS的传感器的响应时间和恢复时间。(l)在1.5 KPa压力作用下测试经过10000次压缩循环的MIS基传感器的稳定性。  
图3 MIS基可穿戴传感器用于各种人体运动的实时监测和触觉感知。(a-g) MIS基传感器对多种人体运动检测: (a)面部表情；(b)说话发音；(c)人体呼吸频率；(d)脉搏跳动；(e)行走频率；(f)指关节运动；(g)腕部各向异性运动传感检测。(h-k)MIS基传感器用于感知不同的手写细节。(l-r) MIS传感器阵列用于多点压力感知。(l)MIS基传感器阵列的示意图。(m-o)所得传感器阵列的照片(m)，食指在传感器阵列表面上的位置(n)，水杯在传感器阵列表面上的位置(o)。(p-r)分别为食指(q)和水杯(R)放置前(p)和放置后MIS阵列传感器的响应信号。 
图4基于MIS的传感器对水环境中的运动和微小振动的实时传感检测。(a-d)用MIS传感器来检测由机器“鱼”触发的水下微小振动，其中MIS传感器附着在“鱼”的尾部(a)，然后被放入装有水的容器中。在水环境中，由于MIS传感器具有优异的超疏水性，可以发现在MIS传感器上形成了一层明显的气泡膜(b)， “鱼尾”以恒定(c)和不同频率(d)摆动时MIS传感器的实时相对电阻变化。(e-j)MIS传感器在智能警示灯控制系统中的应用。(e)报警灯控制系统电路中所涉及重要组件的照片。(f)在信号传输过程中转换模块和延时继电器所执行的功能。(g-j)报警灯控制系统在不同场景中的应用(g-i)以及其相应的信号传输和转换过程(j)。
 

该论文实验部分主要由博士研究生马利利（第一作者）和博士研究生王嘉鑫完成，通讯作者为屈孟男教授和何金梅副教授。西安科技大学为作者单位。该项研究得到了国家自然科学基金（51904228），陕西省高等学校青年创新团队（21JP068），陕西省科技厅（2019JM-371），中国博士后科学基金（2019M663938XB），西安科技大学优秀青年科学基金（2019YQ2-09），西安科技大学胡杨学者计划的资助支持。

原文链接

https://doi.org/10.1039/D1TA08093H

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