Chem. Mater.：3D打印超高靈敏度仿生離子皮膚

來(lái)源：先進(jìn)功能材料

具有微觀結(jié)構(gòu)互鎖的仿生電子皮膚，可以通過(guò)模仿真皮與表皮的連接來(lái)感知外部壓力、溫度和其他刺激，從而在可穿戴電子設(shè)備、軟機(jī)器人、人體生理信號(hào)檢測(cè)、輔助醫(yī)學(xué)診斷、人體修復(fù)以及其他電子和生物領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。值得注意的是，受生物啟發(fā)的高靈敏度皮膚可以捕獲微弱的變化，以收集人工智能（AI）的數(shù)據(jù)，顯示出其他柔性傳感器無(wú)法比擬的感知能力。但是，對(duì)于開發(fā)用于智能人機(jī)交互的下一代系統(tǒng)，開發(fā)出在寬壓力范圍內(nèi)輕松快速地制備高度敏感的仿生電子皮膚仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

本文報(bào)道了一種可實(shí)現(xiàn)寬壓力范圍內(nèi)（0.6 Pa-2 MPa）工作的高靈敏度（348.28 KPa-1）離子皮膚，該皮膚可利用3D打印可聚合深共熔溶劑（PDES）快速制造（6分鐘）。通過(guò)氫鍵供體和受體的絡(luò)合制備的可聚合深共晶溶劑（PDES）可以在紫外線下快速聚合。先前報(bào)道的聚（PDES）具有綜合的導(dǎo)電性、透明性、彈性和自修復(fù)特性（即使在寬溫度范圍和有機(jī)溶劑極端環(huán)境中）。這些優(yōu)異的性能使聚（PDES）成為集成柔性導(dǎo)電基板的理想選擇。PDES的3D光聚合背后的策略，有望基于計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)為離子皮膚生產(chǎn)復(fù)雜的具有生物啟發(fā)性的結(jié)構(gòu)。接下來(lái)，快速制造和易于學(xué)習(xí)將離子蒙皮的構(gòu)建過(guò)程簡(jiǎn)化為一個(gè)步驟。此外，由于雙鍵的斷裂和新共價(jià)鍵的形成，光聚合收縮在受到生物啟發(fā)的皮膚結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的亞微米級(jí)突起，從而通過(guò)增加接觸面積和彈性空間而提高了靈敏度。值得注意的是，具有較大彈性空間的聚（PDES）具有出色的柔韌性，可用于生物啟發(fā)型離子皮膚，該皮膚可以高靈敏度檢測(cè)各種壓力。這種制造方法將為更靈敏、廣泛使用和耐用的離子皮膚的設(shè)計(jì)鋪平道路。

受到人類皮膚表皮層和真皮層之間互鎖結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，使用立體光刻（SLA）3D打印機(jī)通過(guò)“反向序列”逐層工作過(guò)程（圖1a）制造了具有生物啟發(fā)性的離子皮膚（BIS）。如圖1b所示，通過(guò)將作為氫鍵受體的氯化膽堿（CCl）與作為氫鍵供體的丙烯酸（AA）混合來(lái)制備印刷油墨的PDES單體。

圖1. BIS的制造示意圖。

（a）BIS的制造過(guò)程和受生物啟發(fā)的機(jī)制。

（b）高分子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)聚（PDES）的合成插圖。

圖2. BIS的結(jié)構(gòu)示意圖和感應(yīng)機(jī)制。

（a）BIS的光學(xué)圖像。

（b）金字塔形BIS的微觀形態(tài)。

（c）使用3D輪廓儀對(duì)亞微米結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維表征。

（d）在PDES聚合過(guò)程中，BIS表面亞微米級(jí)突起的形成機(jī)理。

（e，f）當(dāng)外力作用于生物啟發(fā)的離子皮膚上時(shí)，證明單元結(jié)構(gòu)的變形。

（g–i）在傳感過(guò)程中具有不同聚合收縮度的亞微米級(jí)結(jié)構(gòu)的有限元分析。

（j-1）在光引發(fā)劑含量為0.9、0.7和0.5 wt％的情況下，亞微米級(jí)結(jié)構(gòu)的SEM圖像。

圖3.金字塔型生物啟發(fā)的互鎖離子皮膚（PBIIS）的機(jī)械性能。

圖4. PBIIS制造的視覺(jué)檢測(cè)壓力傳感器。

圖5.帶有PBIIS的多功能應(yīng)用。

DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c04581