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南京大学研发水凝胶“人造皮肤”:可拉伸77倍,1分钟内自我修复

前瞻网    2021-10-27 18:13

 

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图源:论文

南京大学物理系教授们提出了一种被称为“SHARK”的单层水凝胶人工皮肤,它集高伸展性、自愈性和超灵敏的机械感应于一体。

水凝胶是非常有潜力的材料,可以成为构建类似皮肤机械传感器的材料。基于水凝胶的人造皮肤常见设计,要求在两个水凝胶层之间夹着一个电介质,以实现电容感应。

然而,这样的平面配置限制了灵敏度、伸展性和自愈性。水凝胶和弹性体层不匹配的机械性能,往往会导致在多个应变周期下的分层。实现水凝胶和弹性体层的同时自愈,以完全恢复水凝胶人造皮肤的功能,几乎是不可能的。尽管取得了重大进展,但实现高度可拉伸、可自愈的水凝胶机械传感器需要新颖的设计理念。

在这项研究中,该团队首次展示了具有体电容结的单层复合水凝胶作为机械传感器的设计。研究人员设计了介电肽涂层石墨烯(PCG)来作为水凝胶中均匀分散的电双层。整个系统可以被认为是一个由众多微型电容器串并联形成的大体积电容器结。

因此,与平面形状的水凝胶传感器相比,SHARK具有更大的等效电双层面积,因此灵敏度更高。任何影响水凝胶中PCG微观分布的机械运动都会大大改变整体电容。微型电容器分散在SHARK的凝胶基质中,形成了类似于人类皮肤分布,但相互连接的机械传感器。

SHARK的机械和电气性能也是值得推荐的。由于水凝胶网络和石墨烯之间强大而动态的界面相互作用,水凝胶人造皮肤可以被拉伸到其原始长度的77倍,并在不到一分钟内完全自我修复其机械和电气性能。

它们具有很高的灵敏度,应变感应的测量系数为1.39,可以在空气和水环境中有效地感应应变和压力。此外,它们是可重塑和可打印的,这使得构建基于SHARK的传感器芯片变得非常方便。

考虑到SHARK改进的机械、电气和自愈特性,研究人员预计这种新型电容性水凝胶传感器可以在下一代柔性离子电子学方面有广泛的应用。

题为Stretchable and self-healable hydrogel artificial skin的相关研究论文发表在《国家科学评论》(National Science Review,NSR)上。

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责任编辑: 4150ZYN

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