目前，電子皮膚作為一種用于實(shí)現(xiàn)仿人類(lèi)觸覺(jué)感知功能的人造柔性電子器件，不僅具有柔軟、堅(jiān)固與自修復(fù)性能，并且能夠感知如壓力、應(yīng)變、溫度、濕度和通過(guò)可檢測(cè)的電子信號(hào)(電流、電阻或電容)引起的強(qiáng)制變形等細(xì)微的環(huán)境變化。但其在力學(xué)柔韌性以及耐用性、對(duì)微弱信號(hào)捕獲能力弱和自我修復(fù)功能等方面仍存較多瓶頸問(wèn)題。近日，浙江理工大學(xué)余厚詠副教授團(tuán)隊(duì)圍繞纖維素、絲素等天然高分子制備出一系列綜合性能優(yōu)異的仿生電子皮膚。第一類(lèi)是通過(guò)生物可降解的絲素蛋白(SF)為基體，纖維素納米晶(CNC)為增強(qiáng)劑構(gòu)成的多功能SF/CNCs復(fù)合材料(Robust natural biomaterial based flexible artificial skin sensor with high transparency and multiple signals capture, Chemical Engineering Journal)。第二類(lèi)是通過(guò)PVA與MMA共混，共筑成軟硬鏈段網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)輔以CNC-PPy為導(dǎo)電增強(qiáng)單元構(gòu)成的復(fù)合仿生皮膚(CPMV)( Fabricating robust soft-hard network of self-healable polyvinyl alcohol composite films with functionalized cellulose nanocrystals, Composites Science and Technology)。第三類(lèi)是以多支化羧基纖維素納米晶作為PVA基體的增強(qiáng)材料，用于該仿生復(fù)合皮膚的性能研究(Constructing stimuli-free self-healing, robust and ultrasensitive biocompatible hydrogel sensors with conductive cellulose nanocrystals, Chemical Engineering Journal)。
第一類(lèi)：絲素蛋白/纖維素納米晶復(fù)合膜類(lèi)仿生皮膚
該研究以蠶繭殼和微晶纖維素為原料分別制備絲素蛋白(SF)和纖維素納米晶(CNCs)，并通過(guò)溶液澆鑄的方法制備SF/CNCs復(fù)合膜，并具備優(yōu)異的彎曲傳感響應(yīng)和乙醇?xì)怏w響應(yīng)能力(圖1)。
該復(fù)合膜應(yīng)力傳感性能測(cè)試表明，SF膜和SF/15%CNCs復(fù)合膜在不同彎曲角度 (30°、60°、90°) 下具有快速響應(yīng)特性，當(dāng)膜的彎曲度越大，則響應(yīng)程度越大。當(dāng)復(fù)合膜發(fā)生彎曲時(shí)，膜表面因受到法向應(yīng)力作用，分子內(nèi)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)則因不同變形程度引起氫鍵網(wǎng)絡(luò)和氫鍵能變化，從而解釋復(fù)合膜響應(yīng)機(jī)理(圖2)。
第二類(lèi)：CNC-PPy/PMMA/PVA復(fù)合膜類(lèi)仿生皮膚
CPMV復(fù)合膜通過(guò)PVA與MMA鏈段構(gòu)筑軟硬網(wǎng)絡(luò)，并以CNC-PPy為導(dǎo)電增強(qiáng)納米填料，成功制備具有良好響應(yīng)能力，并可實(shí)現(xiàn)自愈的仿生皮膚(圖3)。同時(shí)該復(fù)合膜對(duì)一系列模仿人類(lèi)日常行為的動(dòng)作(拉伸、彎曲及扭轉(zhuǎn))均具有響應(yīng)能力，且經(jīng)自愈后，CPMV復(fù)合膜仍具備較好傳感能力(圖4)。
第三類(lèi)：可自愈多支化纖維素納米晶基復(fù)合導(dǎo)電水凝膠類(lèi)仿生皮膚
該研究通過(guò)以多支化CNC為增強(qiáng)相，并將其作為PANI的分散模板構(gòu)筑具有連續(xù)導(dǎo)電骨架、氫鍵和內(nèi)在3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電聚合物水凝膠。
該復(fù)合水凝膠可重復(fù)地被模塑成各種不同3D形狀(矩形、星形、心形)，并可實(shí)現(xiàn)無(wú)任何外力作用及外部刺激的情況下相互黏附，迅速自愈合的能力，與此同時(shí)，該復(fù)水凝膠展現(xiàn)了優(yōu)異的拉伸性能 (圖5)。
良好的自粘性能和適應(yīng)各種非線(xiàn)性表面的能力對(duì)于增強(qiáng)電子皮膚的人機(jī)交互性能至關(guān)重要。如圖6所示，將復(fù)合水凝膠粘附不同材料(金屬、玻璃、塑料)物體到物體的非線(xiàn)性表面上，放入材料2-3min后，該水凝膠能夠完全匹配到這些材料的非線(xiàn)性表面。同時(shí)，將復(fù)合水凝膠組裝成一支筆后，它可以在智能手機(jī)的觸摸屏上繪制各種圖片，并且可以成功輸入智能手機(jī)的鎖屏密碼并解鎖手機(jī)。以上研究均為電子皮膚的制備提供了新思路。
上述研究工作先后發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces、Chemical Engineering Journal等知名期刊，主要由陳玉香、宋美麗、朱邁豪等研究生完成，團(tuán)隊(duì)李營(yíng)戰(zhàn)博士和somia博士后參與了部分研究生指導(dǎo)，項(xiàng)目獲得中國(guó)科協(xié)青年托舉人才項(xiàng)目、浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、浙江省院士結(jié)對(duì)英才計(jì)劃項(xiàng)目等支持。
文獻(xiàn)鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.124855
https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2020.108165
https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125547
