基于复合导电纤维素水凝胶的多功能电子皮肤学术资讯

来源：高分子科学前沿

在众多科研工作者的砥砺下，各类电子皮肤应运而生，为可穿戴设备、医疗诊断等领域打开一扇新的大门。在电子皮肤中，碳纳米管（CNTs）是常见的导电材料，遗憾的是，大多数整合CNTs的电子皮肤缺少数据可视化功能，需要借助外连的设备才能显示和处理信号，使得电子皮肤的发展受到阻碍。因此，东南大学的赵远锦教授团队模拟变色龙皮肤（图1），提出一种基于羟丙基纤维素复合水凝胶的电子皮肤（E-皮肤），它具有稳定的胆甾型液晶结构和明亮的结构颜色；通过具有多重响应能力的复合水凝胶作为主要构成要素，E-皮肤可以对温度、压力和张力做出响应，并通过内部结构变化引起颜色改变。相关成果以“Bioinspired conductive cellulose liquid-crystal hydrogels as multifunctional electrical skins”为题发表于《PNAS》杂志

图1 导电纤维素彩色水凝胶

变色水凝胶的制备与表征变色龙通过控制周期性鸟嘌呤纳米晶阵（periodic guanine nanocrystal arrays）改变其皮肤颜色。因此，文章利用羟丙基纤维素（HPC）、聚（丙烯酰胺-丙烯酸）（PACA）以及碳纳米管（CNT）构建用于电子皮肤的纤维素水凝胶：将CNT与HPC分批分散于PACA水凝胶的前驱体溶液，在黑暗中便可自组装成纤维素纳米晶体，经紫外线聚合，便可得到颜色鲜艳的复合水凝胶。由于HPC分子间相互排斥作用力，HPC层可进行各项异性有序排列，形成周期性排列纳米结构（溶致胆甾相）：HPC分子排列成层，两个相邻分子层的排列方向略有旋转（图2B/C），并周期性地堆积成螺旋结构（图2A）；进一步研究发现，凝胶颜色与螺旋螺距（p）相关，因此，可以通过调节HPC浓度制备不同颜色的凝胶，例如：当HPC浓度从50wt%到70wt%时，凝胶的颜色从红色变为紫色，归因为p的减小（图2D），该水凝胶为电子皮肤提供视觉交互作用，这是目前大多数材料所缺乏的。

图2 导电纤维素水凝胶的光学性质和纳米结构电子皮肤的热传感测试PACA的热响应效应使得凝胶对于温度较为敏感，并且因PACA支架的弹性，因此赋予材料可逆恢复的能力，例如：当环境温度上升，由于凝胶的膨胀，螺旋螺距增加，视觉偏向红色；当温度恢复后，颜色也随之恢复。图3B所示，分别含有50、60和68 wt%HPC浓度的电子皮肤随温度的上升颜色逐渐红移；同时，通过循环实验证实该电子皮肤具有颜色与电阻变化的可逆性（图3D/E）。结果表明，该电子皮肤具有温度感知功能，并且在多次温度循环后仍能保持较好的热敏性。

图3 电子皮肤的温度传感测试电子皮肤的压力/张力传感测试除了对温度做出响应外，该电子皮肤可对压力和张力等机械力做出响应：在力的作用下，凝胶内部的纳米结构发生变化，从而使得颜色和电导率发生改变。通过按压或者拉伸电子皮肤表面，受力区域出现明显的视觉蓝色偏移；撤出力后，颜色也随之恢复（图4A/B）。

图4 电子皮肤的压力/张力传感测试多功能电子皮肤在人体手指上的应用为进一步探讨该电子皮肤的应用价值，将其贴于手指上进行测试，记录在不同刺激下的实时信号。图5A所示，分别进行3种操作：反复接触冰袋、用镊子提供压力以及手指的弯曲提供变化张力。结果发现，受刺激部位的颜色发生明显的变化；此外通过记录的电信号表明，材料的电阻也随之发生精准的变化。

图5 多功能电子皮肤在人体手指上的应用结论赵远锦教授团队提出一种基于HPC、PACA和CNT的复合导电纤维素水凝胶的多功能电子皮肤，不仅可以通过颜色变化直观反馈外界刺激，也可以通过电阻定量的变化进行反馈。双信号传感能力使得导电纤维素纳米复合水凝胶有望为多功能柔性电子皮肤的设计和制备开启新的篇章。

来源：Polymer-science 高分子科学前沿

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