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能力，并且具有基于離子電子效應的機械感受系統，可檢測壓力、應變和扭轉。

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）的設計提供了極具價值的基礎。然而，從電子到離子機械敏感皮膚，在均質系統中同時實現出色的自主自愈性能、彈性和對離子動力效應的有效控制非常具有挑戰性。離子電子材料又容易受到持續磨損造成的意外機械損壞，導致功能損壞，影響器件使用壽命。

因此，設計同時具有優異自愈性能、良好彈性和有效離子動力效應的離子電子系統至關重要。

據麥姆斯咨詢報道，近期，韓國漢陽大學（Hanyang University）、忠南大學（Chungnam National University）和中國科學院寧波材料技術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官能化基團引入聚氨酯（PU）基體設計而成。

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

在該項研究中，受到人體皮膚機械感受器的自愈特性和離子動力效應啟發，研究人員提出CLiPS的概念設計，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）基體設計，該基體由高鏈遷移率異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）和動態二硫鍵組成，能夠在沒有外部刺激的情況下自主自愈。

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

基于CLiPS的電子皮膚分子結構和概念設計機制

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，也表現出快速的自愈速度。

此外，IPDI結構通過提供高聚合物鏈遷移率來增強二硫鍵動態交換反應的活化，同時保持其韌性，從而極大地促進了CLiPS的自愈效率。由于IPDI和Cl基團的綜合韌性，CLiPS能夠在沒有任何約束的情況下表現出優異的彈性恢復（100%）。

為了證實CLiPS強大的自主自愈效率，研究人員對愈合的樣品進行了不同時間間隔的應力-應變測試。結果表明60分鐘內的最大自修復效率為91%。

此外，與其他室溫自修復介電彈性體和具有不同愈合機理的離子基材料（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表現出4.3μm/min的快速自修復速度。驗證了所提出的CLiPS在自我修復方面具備卓越的性能優勢。

基于CLiPS的電子皮膚器件自主自愈演示

該研究設計的基于CLiPS的電子皮膚器件為在均質系統中同時實現快速自愈特性和機械敏感離子動力效應奠定了基礎。通過一系列實驗，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。在動態增加的壓力下，該器件也表現出高度穩定性和可重復的電容變化。此外，基于CLiPS的電子皮膚器件具備非凡的耐用性和結構完整性，以及出色的響應和恢復時間。

基于CLiPS的電子皮膚器件傳感性能和實際應用

總而言之，研究人員受人體皮膚的自愈特性和機械感受系統的啟發，開發出一種CLiPS材料，該材料不僅表現出優異的自主自愈性能，而且具有機械敏感的壓電離子動力效應，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和更智能的人機交互領域的觸摸調制應用潛力。

論文鏈接：

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

審核編輯：劉清