原創(chuàng) 高分子科學(xué)前沿 高分子科學(xué)前沿 今天
人類皮膚具有獨(dú)特的自我修復(fù)能力，同時(shí)受多種感知神經(jīng)元所支配。這些神經(jīng)元埋藏在皮下并延伸至表皮，將觸覺刺激傳遞給神經(jīng)，使人們能夠利用觸覺來操縱物體，并對外部環(huán)境作出反應(yīng)。在過去的十年里，為了模仿人的皮膚，電子皮膚（e-skins）迅速從單純的虛構(gòu)想象發(fā)展到越來越復(fù)雜的具體實(shí)物。盡管許多不同的觸覺感知電子皮膚已經(jīng)被成功研制，但一種能夠自我修復(fù)、高靈敏以及具有應(yīng)力方向感知的電子皮膚傳感器尚未被開發(fā)。在有機(jī)晶體管的電子皮膚中，使用離子凝膠作為人工神經(jīng)具有可觀的效果，但是基于離子凝膠的神經(jīng)系統(tǒng)還缺乏觸覺敏感性。近日，新加坡國立大學(xué)的Benjamin C. K. Tee教授課題組利用一種全新低模量自愈泡沫材料，并在基體中嵌入三維電極，成功制備出一種仿生人工神經(jīng)泡沫。該泡沫材料由一步自發(fā)泡工藝合成。通過調(diào)節(jié)泡沫中導(dǎo)電金屬粒子的濃度，來調(diào)節(jié)其電阻性能，并證明它可以作為壓阻式傳感器，而無需封裝層。該傳感器對物體的接觸力方向以及人體細(xì)微的活動都很敏感。此外，即使受到機(jī)械損傷，泡沫材料也能自動愈合并立即恢復(fù)正常。該工作為人工神經(jīng)系統(tǒng)的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。該工作以標(biāo)題“Artificially innervated self-healing foams as synthetic piezo-impedance sensor skins” 發(fā)表于國際重要期刊Nature Communications上。文章的通訊作者為新加坡國立大學(xué)的Benjamin C. K. Tee教授。圖1 具有低模量、彈性和自愈性的人工神經(jīng)壓力傳感器。受人體感神經(jīng)支配結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，作者利用三維金屬絲電極作為“神經(jīng)”，嵌入到低模量但有彈性的自愈泡沫中，并稱之為人工神經(jīng)化泡沫（AiFoam）。與其他基于泡沫的傳感器相比，作者合成的自愈泡沫材料的模量較低，僅為600 kPa，且受外力形變后可恢復(fù)最初狀態(tài)。傳感材料中的3D電極使AiFoam對法向力和剪切力都很敏感。通過在獨(dú)特的近滲流金屬顆粒泡沫復(fù)合材料中嵌入三維電極，作者證明了該傳感器可以在壓阻模式下工作。重要的是，AiFoam電子皮膚感知程度和人類觸摸接近。【電極類型與力響應(yīng)的關(guān)系】圖2 人工神經(jīng)支配在AiFoam法向力和剪切力檢測中的應(yīng)用。當(dāng)對傳感器施加法向力或剪切力時(shí)，泡沫材料將被壓縮，從而發(fā)生形變并接觸到相應(yīng)的電極上。這種形變會導(dǎo)致其阻抗的變化。作者通過施加法向力和剪切力，將帶三維電極的AiFoam與同樣制備的平面電極控制泡沫傳感器（foam-2D）進(jìn)行了比較。當(dāng)施加外部壓力時(shí)，壓阻效應(yīng)降低了兩種電極配置的電阻，但是AiFoam顯示出較低的初始電阻，因?yàn)榕cfoam-2D相比，AiFoam與泡沫的接觸面積更大。因此，AiFoam可以捕捉到外部機(jī)械刺激引起的表面微小變化并作出響應(yīng)。為了制作壓阻彈性體復(fù)合材料，作者添加了具有納米級表面特征的微米鎳（μN(yùn)i）顆粒作為導(dǎo)電填料。然而，作者發(fā)現(xiàn)，這種粒子的加入導(dǎo)致了泡沫材料的閉孔化。當(dāng)施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)，多孔結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生更大的變形，而不會影響3D電極的完整性。當(dāng)溶劑從聚合物中蒸發(fā)時(shí)，μN(yùn)i粒子（和Cu電極）充當(dāng)空穴形核中心。加熱到70°C時(shí)，蒸發(fā)誘導(dǎo)的相反轉(zhuǎn)會導(dǎo)致更大的空穴形核和聚集的形成，從而在聚合物基體中產(chǎn)生孔隙。聚合物底部的干燥速度比暴露在空氣中的上表面慢，導(dǎo)致孔隙聚集，形成更大的孔隙。雖然這些方法可以產(chǎn)生小而均勻分布的孔，但制造過程通常涉及多個(gè)步驟，并且可能仍然包含模板材料的殘留物。此外，μN(yùn)i的加入增加了材料的剛度，并抵消了氣孔的引入，從而降低了材料的極限強(qiáng)度和最大延伸率。奈奎斯特圖顯示，含20 μN(yùn)i泡沫、含25 μN(yùn)i泡沫和含30 μN(yùn)i泡沫的基線電阻分別從0.49 MOhm、0.35 MOhm降低到0.18 MOhm，這主要由于納米結(jié)構(gòu)的μN(yùn)i顆粒分散在彈性體基體中，使得μN(yùn)i泡沫電阻降低。材料的電容行為可能源于氟表面活性劑的加入所致，不含氟表面活性劑的材料的奈奎斯特圖在高頻范圍內(nèi)的電容環(huán)消失，因此，作者發(fā)現(xiàn)表面活性劑對復(fù)合材料的電性能有重要影響。此外，與有表面活性劑的材料相比，比不含表面活性劑的樣品的介電常數(shù)低約8.5倍。值得注意的是，泡沫30 μN(yùn)i在1 Hz頻率下的介電常數(shù)高達(dá)94000。這是因?yàn)棣蘊(yùn)i粒子在材料基體上形成導(dǎo)電路徑。不難發(fā)現(xiàn)，由于μN(yùn)i體積濃度較高，無孔樣品的介電常數(shù)略高于泡沫樣品。特別是，當(dāng)壓力P<10 kPa時(shí)，含30 vol% μN(yùn)i的泡沫鋁的靈敏度達(dá)到378 MPa?1，當(dāng)10 kPa<P<100 kPa時(shí)，靈敏度保持在218 MPa?1。受神經(jīng)支配的人體感知系統(tǒng)的啟發(fā)，作者提出了一種自愈性人工神經(jīng)化泡沫（AiFoam）用于壓阻觸覺傳感器。作者在泡沫材料中嵌入三維電極，可以在壓阻或壓阻模式下操作觸覺傳感器?？諝馀菽瓊鞲衅骺梢詤^(qū)分不同的力方向。此外，它還可以作為電容模式下的位移傳感器，在新興的電子和機(jī)器人皮膚應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更為智能的人機(jī)交互。https://www.nature.com/articles/s41467-020-19531-0聲明：僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，作者水平有限，如有不科學(xué)之處，請?jiān)谙路搅粞灾刚?/span>
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