人體皮膚是重要的身體器官，在受到外部傷害時具有自我修復(fù)能力，并且具有基于離子電子效應(yīng)的機(jī)械感受系統(tǒng)，可檢測壓力、應(yīng)變和扭轉(zhuǎn)。

人體皮膚的自愈特性和離子傳感能力為可拉伸離子電子皮膚（e-skin）的設(shè)計提供了極具價值的基礎(chǔ)。然而，從電子到離子機(jī)械敏感皮膚，在均質(zhì)系統(tǒng)中同時實(shí)現(xiàn)出色的自主自愈性能、彈性和對離子動力效應(yīng)的有效控制非常具有挑戰(zhàn)性。離子電子材料又容易受到持續(xù)磨損造成的意外機(jī)械損壞，導(dǎo)致功能損壞，影響器件使用壽命。

因此，設(shè)計同時具有優(yōu)異自愈性能、良好彈性和有效離子動力效應(yīng)的離子電子系統(tǒng)至關(guān)重要。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，韓國漢陽大學(xué)（Hanyang University）、忠南大學(xué)（Chungnam National University）和中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的研究人員共同提出一種氯（Cl）官能化離子電子壓敏材料（CLiPS），通過將Cl官能化基團(tuán)引入聚氨酯（PU）基體設(shè)計而成。

該CLiPS材料具有超快自愈速度（4.3 μm/min）、高自愈效率（60分鐘內(nèi)達(dá)到91%）以及機(jī)械敏感的壓電離子動力效應(yīng)，可為觸覺傳感器提供出色的壓力靈敏度（7.36 kPa?1）。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Nature Communications期刊。

在該項研究中，受到人體皮膚機(jī)械感受器的自愈特性和離子動力效應(yīng)啟發(fā)，研究人員提出CLiPS的概念設(shè)計，模擬了人類皮膚的卓越功能。CLiPS材料采用CI功能化聚氨酯（CLPU）基體設(shè)計，該基體由高鏈遷移率異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）和動態(tài)二硫鍵組成，能夠在沒有外部刺激的情況下自主自愈。

由于Cl官能化基團(tuán)的固有韌性，可以實(shí)現(xiàn)出色的彈性恢復(fù)。此外，還引入了離子液體（IL），基于Cl基團(tuán)和離子對之間的離子-偶極相互作用，建立了壓電離子機(jī)制（機(jī)械敏感的離子阱和釋放行為）。

基于CLiPS的電子皮膚分子結(jié)構(gòu)和概念設(shè)計機(jī)制

由于CLPU的分子特性，基于CLiPS的壓容式（piezocapacitive）器件在室溫下即使沒有外部刺激時，也表現(xiàn)出快速的自愈速度。

此外，IPDI結(jié)構(gòu)通過提供高聚合物鏈遷移率來增強(qiáng)二硫鍵動態(tài)交換反應(yīng)的活化，同時保持其韌性，從而極大地促進(jìn)了CLiPS的自愈效率。由于IPDI和Cl基團(tuán)的綜合韌性，CLiPS能夠在沒有任何約束的情況下表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性恢復(fù)（100%）。

為了證實(shí)CLiPS強(qiáng)大的自主自愈效率，研究人員對愈合的樣品進(jìn)行了不同時間間隔的應(yīng)力-應(yīng)變測試。結(jié)果表明60分鐘內(nèi)的最大自修復(fù)效率為91%。

此外，與其他室溫自修復(fù)介電彈性體和具有不同愈合機(jī)理的離子基材料（包括亞胺鍵、金屬配位鍵、氫鍵、二硫鍵、靜電相互作用及其組合）相比，CLiPS表現(xiàn)出4.3μm/min的快速自修復(fù)速度。驗證了所提出的CLiPS在自我修復(fù)方面具備卓越的性能優(yōu)勢。

基于CLiPS的電子皮膚器件自主自愈演示

該研究設(shè)計的基于CLiPS的電子皮膚器件為在均質(zhì)系統(tǒng)中同時實(shí)現(xiàn)快速自愈特性和機(jī)械敏感離子動力效應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。通過一系列實(shí)驗，研究人員驗證了基于CLiPS的電子皮膚器件具備出色的壓力傳感性能，以及有效的壓電離子機(jī)制。該CLiPS即使在自愈后也能保持良好的傳感特性。

基于CLiPS的器件在不同施加偏置電壓（1 mV、100 mV和1 V）下、不同頻率（1 kHz、100 Hz和20 Hz）下均具有良好的壓容式壓力檢測能力。在動態(tài)增加的壓力下，該器件也表現(xiàn)出高度穩(wěn)定性和可重復(fù)的電容變化。此外，基于CLiPS的電子皮膚器件具備非凡的耐用性和結(jié)構(gòu)完整性，以及出色的響應(yīng)和恢復(fù)時間。

基于CLiPS的電子皮膚器件傳感性能和實(shí)際應(yīng)用

總而言之，研究人員受人體皮膚的自愈特性和機(jī)械感受系統(tǒng)的啟發(fā)，開發(fā)出一種CLiPS材料，該材料不僅表現(xiàn)出優(yōu)異的自主自愈性能，而且具有機(jī)械敏感的壓電離子動力效應(yīng)，可用于觸覺傳感器，為其提供出色的壓力靈敏度。研究表明，基于CLiPS的電子皮膚器件可以感知各種壓力，驗證了其在下一代可穿戴技術(shù)和更智能的人機(jī)交互領(lǐng)域的觸摸調(diào)制應(yīng)用潛力。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-35434-8

審核編輯：劉清