研究速覽

■?受生物軟組織高度排列、有序的微觀結(jié)構(gòu)和各向異性力學(xué)性能的啟發(fā),MXene基的人造電子皮膚（e-skins）近年來被廣泛報道。然而，在同時實現(xiàn)綠色、高機械性能和多功能性方面仍然存在挑戰(zhàn)。

■?近期，北京林業(yè)大學(xué)蒲俊文教授團隊與同濟大學(xué)曹文濤博士后受生物肌肉微組織結(jié)構(gòu)的啟發(fā)提出了一種具有各向異性結(jié)構(gòu)的MXene/PVA/Gly木制衍生智能電子皮膚系統(tǒng)（PM/CS/Gly），通過該方法制備的電子皮膚覺有出色的機械強度和柔韌性，同時表現(xiàn)出抗凍性能和保濕能力。重要的是具有卓越機電傳感的電子皮膚可以實現(xiàn)對人體各種運動的實時監(jiān)測。此外，該電子皮膚還可以實現(xiàn)在水生環(huán)境中的私密信息傳輸甚至物體識別。本研究為開發(fā)具有仿生特性的下一代可穿戴設(shè)備和多功能電子皮膚系統(tǒng)提供了一種簡便的策略。

Part1?

▉? 研究摘要? ▉

■?近年來，人們已經(jīng)做出了許多努力來制備用于電子皮膚系統(tǒng)的類似肌肉的水凝膠。然而，提高電子皮膚系統(tǒng)的機械強度、導(dǎo)電性和多功能性仍然具有挑戰(zhàn)性。由于缺乏有效的增強結(jié)構(gòu)和有序排列，這些傳統(tǒng)的水凝膠基柔性材料的拉伸應(yīng)力只有幾十或幾百 kPa。此外，復(fù)雜的制備工藝和成本嚴(yán)重限制了它們的應(yīng)用。

■?在這項工作中，我們開發(fā)了一種受肌肉啟發(fā)的強大、導(dǎo)電、生物相容和定向的木材衍生水凝膠電子皮膚（圖 1）。該系統(tǒng)通過簡單的凍融過程將源自天然木材的纖維素支架 (CS) 與聚乙烯醇 (PVA)/MXene 納米片 (PM) 網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，具有高韌性和優(yōu)良的導(dǎo)電性的復(fù)合水凝膠。此外，水凝膠在干燥條件下往往會失去水分或在冰點以下失去彈性，這極大地限制了電子皮膚的操作條件。為了進一步擴展電子皮膚的工作條件，通過置換生物相容性低溫保護劑，得到PM/CS/甘油（Gly）電子皮膚。這種受生物啟發(fā)的 PM/CS/Gly 皮膚具有柔韌性、強韌、抗凍和保濕能力，可用作智能電子皮膚系統(tǒng)來監(jiān)測人體運動。e-skin系統(tǒng)還實現(xiàn)了水環(huán)境中的信息傳輸和物體識別。這項工作在可穿戴傳感方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢和潛力。

圖 1. 源自天然木材的各向異性 PM/CS/Gly 電子皮膚的設(shè)計理念和制造過程的圖解說明。(a) PM/CS/Gly e-skin 系統(tǒng)的制造過程和 (b) 功能

Part2

▉? 研究要點1? ▉

■?本文首先對PM/CS/Gly 電子皮膚系統(tǒng)的制備原理和機理進行了探究。PM/CS/Gly 電子皮膚的微觀結(jié)構(gòu)表明木材細(xì)胞壁和 PM 之間的緊密集成界面，這證實了 PM 和 CS 之間的兼容性。通過 PM 和 CS 之間的氫鍵和共價相互作用，成功構(gòu)建了緊湊、堅固且均勻的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。PM/CS/Gly 內(nèi)部的緊湊和整體結(jié)構(gòu)有利于增強電子皮膚的機電性能 ，有利電子皮膚系統(tǒng)在傳感功能的高靈敏度和穩(wěn)定性。

圖 2. (a) 天然木材（NW）、CS、PM e-skin 和 PM/CS/Gly e-skin 的 FTIR 光譜。(b) NW 和 CS 的 XRD 圖案。(c) 不同 MXene 含量的 PM/CS/Gly 的 FTIR 光譜。(d) 純 Ti3C2 納米片的 XPS 測量光譜（插入的圖像顯示 MXene 溶液的廷德爾效應(yīng)）和 (e) Ti 和 F 圖案。(f) PM/CS/Gly e-skin 的 C-、O-和 Ti 元素映射

▉? 研究要點2? ▉

■?與生物組織（如軟骨、肌肉和韌帶）類似，PM/CS/Gly 電子皮膚具有出色的拉伸強度和柔韌性 。這些結(jié)果可能是因為PM水凝膠在CS中形成了均勻的復(fù)合結(jié)構(gòu)，聚合物網(wǎng)絡(luò)和CS相互配合，提高了電子皮膚的機械強度。PM/CS/Gly 電子皮膚的拉伸應(yīng)力和其他性能顯著高于類似的導(dǎo)電水凝膠，表明具有各向異性結(jié)構(gòu)的 PM/CS/Gly 電子皮膚具有獨特的優(yōu)勢。簡而言之，在聚合物網(wǎng)絡(luò)中具有對齊納米結(jié)構(gòu)的 PM/CS/Gly e-skin 在特定方向上增強了機械性能和導(dǎo)電性，從而擴大了其應(yīng)用范圍。

圖 3. (a) 不同 MXene 含量的 PM/CS/Gly e-skin 的電導(dǎo)率。(b) 顯示 PM/CS/Gly e-skin 的照片可以折疊和扭曲，與剛性 CS 相比，具有出色的柔韌性和恢復(fù)性。(c) PM/CS/Gly e-skin 在 200 g 的重量負(fù)載下的舉重行為照片，大約是其自身重量的 1300 倍。(d) PM/CS/Gly e-skin 在 R 方向和 L 方向的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(e) PM/CS/Gly e-skin 在 R 方向和 L 方向的最大應(yīng)力值。(f) 與類似水凝膠相比的極限拉伸強度

▉? 研究要點3? ▉

■?基于PM/CS/Gly良好的導(dǎo)電性和機械柔性和強度，通過該方法所制備的可穿戴電子皮膚實現(xiàn)了快速響應(yīng)能力(120 ms和90 ms)和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，可以用于跳，蹲，手指彎折、發(fā)音的實時監(jiān)測和信息傳輸功能。此外，基于PM/CS/Gly的壓阻傳感特性在水生環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的物體識別與信息傳輸能力。還檢查了冷凍保護/吸濕保護物質(zhì)對 PM/CS/Gly 電子皮膚的環(huán)境穩(wěn)定性和抗凍能力的影響。由于其在皮膚可穿戴傳感器中的低生物毒性，甘油被選為吸濕/冷凍保護物質(zhì)。此外，甘油的電荷中性對 MXene 納米片與粘合劑層中帶電基團之間的連續(xù)導(dǎo)電通道幾乎沒有損害。它通過與 H2O 分子形成強氫鍵并破壞水分子之間的氫鍵，具有有效的抗脫水和抗凍作用。

圖 4. PM/CS/Gly e-skin 的基本傳感特性以及在不同人體運動行為的實時監(jiān)測行為

圖 5. 基于PM/CS/Gly電子皮膚在加密信息傳輸和在水環(huán)境下的實時傳感監(jiān)測行為，以及抗凍性和保濕性能力

Part3

▉? 研究總結(jié)? ▉

■?該項研究受高度排列有序的肌肉的啟發(fā)，利用纖維素支架（源自天然木材）作為模板，然后引入柔性 PM 導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)出具有各向異性、生物相容性的強木材衍生水凝膠電子皮膚。PM / CS / Gly e-skin通過結(jié)合高強度和柔韌性來模仿生物肌肉組織的特征。由于物理、機械和電氣特性的獨特組合，PM/CS/Gly e-skin 系統(tǒng)可用作柔性傳感器來檢測各種人體運動。私人信息的傳輸可以通過摩爾斯電碼在空氣或水中實現(xiàn)。PM/CS/Gly 電子皮膚在水下環(huán)境中的隱蔽通信和監(jiān)視設(shè)備領(lǐng)域具有巨大潛力。我們設(shè)想，這項研究的結(jié)果將促進下一代可穿戴設(shè)備和具有仿生特性的多功能傳感器的發(fā)展。

該工作以“An Anti-Freezing and Strong Wood-Derived Hydrogel for High-Performance Electronic Skin and Wearable Sensing ”為題發(fā)表在《Composites part B: Engineering》上。

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