水凝膠柔性電子皮膚是一種新興且有發(fā)展前景的人機(jī)交互界面，具有敏感性、柔韌性、拉伸性、舒適性、生物相容性和可擴(kuò)展性。因此，水凝膠電子皮膚可以使人與電子設(shè)備無縫連接，實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的人機(jī)交互，在未來健康監(jiān)測、個(gè)人電子設(shè)備、智能機(jī)器人、可穿戴電子設(shè)備等方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景。然而傳統(tǒng)水凝膠電子皮膚由于水凝膠交聯(lián)強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度較差，難以承載高強(qiáng)度任務(wù)，應(yīng)用范圍有限。為了提高水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度，可在水凝膠中引入了雙網(wǎng)絡(luò)、互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)、異質(zhì)結(jié)構(gòu)或自由基共聚，但需要各種化學(xué)引發(fā)劑或苛刻的條件(酸蝕、超聲、化學(xué)引發(fā))才能使水凝膠合成，過程復(fù)雜且不綠色。同時(shí)，基于PVA的仿生電子皮膚大多只有單一的功能特征，無法適應(yīng)當(dāng)前復(fù)雜場景的需求，如人機(jī)交互設(shè)備、智能康復(fù)醫(yī)療、水下加密通信等。因此，迫切需要開發(fā)一種超強(qiáng)韌、可回收、適用于多種復(fù)雜場景、方法簡單、環(huán)保的多功能、耐用的超分子水凝膠電子皮膚接口。

近期，東北大學(xué)醫(yī)學(xué)與生物信息工程學(xué)院田野副教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種皮膚啟發(fā)的超強(qiáng)韌和可回收的超分子水凝膠電子皮膚PVA-Gp/TA-CaCl2 (命名為:PGC)，使用一次性物理交聯(lián)鹽析-凍融方法，沒有有毒副產(chǎn)物和復(fù)雜的工藝。此工作將鹽析法引入超分子自組裝體系中，調(diào)節(jié)大分子鏈在分子上的聚集纏結(jié)，從而獲得力學(xué)性能可調(diào)的水凝膠網(wǎng)絡(luò)。鹽析劑--β-甘油磷酸鈉(Gp)，比常用的鹽析劑(如NaCl)更有效。并通過添加單寧酸(TA)來賦予水凝膠抑菌和防紫外線等性能。最后，采用一次凍融的方法進(jìn)一步提高鏈間結(jié)晶度，從而提高其機(jī)械強(qiáng)度。此外，添加Gp后的水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度是相同質(zhì)量甘油水凝膠的37倍，拉伸應(yīng)力可達(dá)3.35 MPa，Gp和PVA濃度對(duì)PGC水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度均有調(diào)節(jié)作用，最終能達(dá)到5.79 MPa的抗拉強(qiáng)度。PGC水凝膠具有超強(qiáng)韌性、導(dǎo)電性、抗菌性、防紫外性、抗溶脹性、可回收性和透光性。PGC水凝膠電子皮膚可以將皮膚的保護(hù)特性和靈活的傳感結(jié)合起來，適用于生活中的多種復(fù)雜場景。PGC水凝膠電子皮膚作為新一代電子皮膚接口，可用于精確監(jiān)測日常生理活動(dòng)(心電圖、微表情、關(guān)節(jié)活動(dòng)、咳嗽)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。PGC水凝膠電子皮膚還用于水下人機(jī)交互，通過水下活動(dòng)和莫爾斯電碼傳輸信息，并使用解密程序?qū)λ?陸上信息進(jìn)行加密/解密。此外，利用windows系統(tǒng)分析軟件，設(shè)計(jì)PGC水凝膠電子皮膚作為關(guān)節(jié)損傷患者肌力訓(xùn)練的關(guān)節(jié)康復(fù)系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)模擬肌力變化，反饋健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互(前端數(shù)據(jù)采集—后端分析處理)。這種多功能仿生電子皮膚將對(duì)柔性傳感、康復(fù)醫(yī)學(xué)、人機(jī)交互、機(jī)器人、VR/AR和元宇宙的未來產(chǎn)生重大影響。

圖1. PGC水凝膠的仿生原理以及制備流程

圖2. PGC水凝膠的性能表征

圖3. PGC水凝膠的導(dǎo)電以及紫外過濾性能

圖4. PGC水凝膠的抑菌性能

圖5. PGC水凝膠應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)檢測

圖6. PGC水凝膠應(yīng)用于水下加密通信

圖7. PGC水凝膠應(yīng)用于指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練

該工作以“Skin-inspired ultra-tough supramolecular multifunctional hydrogel electronic skin for human-machine interaction”為題發(fā)表在國際知名期刊《Nano-Micro Letters》（影響因子23.655，文章DOI: 10.1007/s40820-023-01084-8）上。文章第一作者是東北大學(xué)醫(yī)工學(xué)院碩士研究生陳坤，通訊作者為東北大學(xué)醫(yī)工學(xué)院田野副教授，東北大學(xué)醫(yī)學(xué)與生物信息工程學(xué)院為第一/唯一通訊單位。

原文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-023-01084-8

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