Chem. Mater.：3D打印超高灵敏度仿生离子皮肤

时间：2022-02-19 21:10 来源：先进功能材料作者：admin 阅读：次

       具有微观结构互锁的仿生电子皮肤，可以通过模仿真皮与表皮的连接来感知外部压力、温度和其他刺激，从而在可穿戴电子设备、软机器人、人体生理信号检测、辅助医学诊断、人体修复以及其他电子和生物领域中具有广阔的应用前景。值得注意的是，受生物启发的高灵敏度皮肤可以捕获微弱的变化，以收集人工智能（AI）的数据，显示出其他柔性传感器无法比拟的感知能力。但是，对于开发用于智能人机交互的下一代系统，开发出在宽压力范围内轻松快速地制备高度敏感的仿生电子皮肤仍然是一个挑战。
        本文报道了一种可实现宽压力范围内（0.6 Pa-2 MPa）工作的高灵敏度（348.28 KPa-1）离子皮肤，该皮肤可利用3D打印可聚合深共熔溶剂（PDES）快速制造（6分钟）。通过氢键供体和受体的络合制备的可聚合深共晶溶剂（PDES）可以在紫外线下快速聚合。先前报道的聚（PDES）具有综合的导电性、透明性、弹性和自修复特性（即使在宽温度范围和有机溶剂极端环境中）。这些优异的性能使聚（PDES）成为集成柔性导电基板的理想选择。PDES的3D光聚合背后的策略，有望基于计算机设计为离子皮肤生产复杂的具有生物启发性的结构。接下来，快速制造和易于学习将离子蒙皮的构建过程简化为一个步骤。此外，由于双键的断裂和新共价键的形成，光聚合收缩在受到生物启发的皮肤结构上产生可调节的亚微米级突起，从而通过增加接触面积和弹性空间而提高了灵敏度。值得注意的是，具有较大弹性空间的聚（PDES）具有出色的柔韧性，可用于生物启发型离子皮肤，该皮肤可以高灵敏度检测各种压力。这种制造方法将为更灵敏、广泛使用和耐用的离子皮肤的设计铺平道路。
          受到人类皮肤表皮层和真皮层之间互锁结构的启发，使用立体光刻（SLA）3D打印机通过“反向序列”逐层工作过程（图1a）制造了具有生物启发性的离子皮肤（BIS）。如图1b所示，通过将作为氢键受体的氯化胆碱（CCl）与作为氢键供体的丙烯酸（AA）混合来制备印刷油墨的PDES单体。

图1. BIS的制造示意图。

（a）BIS的制造过程和受生物启发的机制。

（b）高分子导电网络聚（PDES）的合成插图。

图2. BIS的结构示意图和感应机制。

（a）BIS的光学图像。

（b）金字塔形BIS的微观形态。

（c）使用3D轮廓仪对亚微米结构进行三维表征。

（d）在PDES聚合过程中，BIS表面亚微米级突起的形成机理。

（e，f）当外力作用于生物启发的离子皮肤上时，证明单元结构的变形。

（g–i）在传感过程中具有不同聚合收缩度的亚微米级结构的有限元分析。

（j-1）在光引发剂含量为0.9、0.7和0.5 wt％的情况下，亚微米级结构的SEM图像。

图3.金字塔型生物启发的互锁离子皮肤（PBIIS）的机械性能。

图4. PBIIS制造的视觉检测压力传感器。

图5.带有PBIIS的多功能应用。

DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c04581

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