模擬皮膚的柔性傳感器能夠?qū)⒍喾N刺激（應(yīng)力、壓力等）轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，是可穿戴電子器件、人機(jī)系統(tǒng)、植入式生物材料和軟體機(jī)器人的核心原件。離子皮膚利用離子導(dǎo)電，模擬天然皮膚的功能，可以通過(guò)離子導(dǎo)電的可拉伸水凝膠或離子凝膠制備，與電子皮膚相比，在檢測(cè)較大的應(yīng)力時(shí)有更高的可靠性。但是制備能夠精確檢測(cè)大范圍內(nèi)的應(yīng)力或壓力，并且保持長(zhǎng)久穩(wěn)定性的離子皮膚絕非易事。通常來(lái)說(shuō)，提高大應(yīng)力范圍內(nèi)的靈敏度必然要犧牲機(jī)械強(qiáng)度，而低的機(jī)械強(qiáng)度使離子皮膚更容易出現(xiàn)缺陷，反過(guò)來(lái)又不利于長(zhǎng)久的穩(wěn)定性。
自愈合材料具有修復(fù)機(jī)械損傷并恢復(fù)功能的能力，如潤(rùn)濕性、電導(dǎo)率/離子導(dǎo)電性、形狀記憶和抗各種腐蝕等。這種可修復(fù)過(guò)程大都基于可逆的動(dòng)態(tài)共價(jià)交聯(lián)和超分子相互作用。賦予離子皮膚自修復(fù)功能并伴以優(yōu)異的機(jī)械性能才能進(jìn)一步擴(kuò)展其在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用。
吉林大學(xué)孫俊奇教授團(tuán)隊(duì)近日開發(fā)了一種超耐用的離子皮膚，它不僅有自愈合功能、優(yōu)異的彈性，浸入到聚脲-脲烷（PU）網(wǎng)絡(luò)中的離子液體更是賦予材料抗疲勞性能，楊氏模量約為0.42 MPa，接近天然皮膚，在0.1 – 300%應(yīng)變和0.1 – 20 kPa壓力范圍內(nèi)都表現(xiàn)出優(yōu)異的靈敏性；并且在經(jīng)歷10000次不間斷的應(yīng)變循環(huán)、甚至在普通環(huán)境中保存200天后還能保持原始的檢測(cè)性能。由于PU網(wǎng)絡(luò)中存在可逆氫鍵和受阻脲鍵（hindered urea bonds；HUBs），斷裂的離子皮膚可以在65 ℃條件下能夠完全愈合，恢復(fù)原始的超耐用和可靠的檢測(cè)性能。
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離子凝膠的制備
作者首先通過(guò)縮合反應(yīng)制備了含PCL和PEG的線性PU聚合物，然后通過(guò)含有三官能度的己二異氰酸酯均聚物化學(xué)交聯(lián)PU線性聚合物得到PU網(wǎng)絡(luò)。PCL和PEG鏈段不僅通過(guò)HUBs交聯(lián)，氨基間的氫鍵也會(huì)參與到交聯(lián)過(guò)程中。然后將PU網(wǎng)絡(luò)浸入離子液體中，成膜干燥后得到離子凝膠，根據(jù)離子液體和PU網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量比（分別為1：1和1：2）制備了兩種離子凝膠（PU-IL1和PU-IL2）。
離子凝膠應(yīng)變傳感器
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PCL和PEG都具備結(jié)晶性能，但PEG易溶于離子液體，因此，離子液體的存在會(huì)影響PEG的結(jié)晶性能，給材料帶來(lái)柔性，氨基間的氫鍵可作為物理交聯(lián)點(diǎn)，增強(qiáng)凝膠強(qiáng)度。PU-IL2離子凝膠的抗拉強(qiáng)度、楊氏模量和斷裂應(yīng)變分別為1.56 MPa，0.42 MPa和327%。由于離子液體含量低，PU-IL1具有較高的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量，以及較低的斷裂應(yīng)變(2.52 MPa, 1.43 MPa和 215%)。并且，PU-IL1 和PU-IL2的導(dǎo)電性都高達(dá)1.2 ×10?3S cm?1，在濕度為35–60%，室溫20 – 29 °C 放置 200天 后，PU-IL2離子凝膠的電化學(xué)性能幾乎沒(méi)用改變。作者制備的離子凝膠不僅能監(jiān)測(cè)小型（手指彎曲）和大型（手肘彎曲）的身體運(yùn)動(dòng)沒(méi)能對(duì)腕部脈搏的壓力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
離子凝膠的自愈合性能
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由于受阻脲鍵和氫鍵的動(dòng)態(tài)特性，PU-IL2能夠完全修復(fù)物理?yè)p壞，65 ℃處理2 h后，離子凝膠能夠拉伸至原始長(zhǎng)度的2.5倍而不發(fā)生任何損壞。處理3 h后，斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂應(yīng)變回復(fù)至原始值的95%和99%。這主要是由于加熱到65 ℃后，結(jié)晶的PCL鏈段融化，并且動(dòng)態(tài)受阻脲鍵和氫鍵解離，促進(jìn)了聚合物鏈的運(yùn)動(dòng)。斷裂界面的聚合物相互擴(kuò)散，重新形成HUBs和氫鍵。冷卻到室溫后，PCL鏈重結(jié)晶，恢復(fù)強(qiáng)度和機(jī)械性能。
作者結(jié)合離子液體和PU網(wǎng)絡(luò)，彌補(bǔ)了人工皮膚和天然皮膚之間的差距，相信這種超耐用離子皮膚的設(shè)計(jì)可以擴(kuò)展到制造各種高靈敏度、可靠和耐用的設(shè)備。
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