Chem. Mater.：3D打印超高靈敏度仿生離子皮膚

來源：先進功能材料

具有微觀結構互鎖的仿生電子皮膚，可以通過模仿真皮與表皮的連接來感知外部壓力、溫度和其他刺激，從而在可穿戴電子設備、軟機器人、人體生理信號檢測、輔助醫(yī)學診斷、人體修復以及其他電子和生物領域中具有廣闊的應用前景。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）的數據，顯示出其他柔性傳感器無法比擬的感知能力。但是，對于開發(fā)用于智能人機交互的下一代系統(tǒng)，開發(fā)出在寬壓力范圍內輕松快速地制備高度敏感的仿生電子皮膚仍然是一個挑戰(zhàn)。

本文報道了一種可實現寬壓力范圍內（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）。通過氫鍵供體和受體的絡合制備的可聚合深共晶溶劑（PDES）可以在紫外線下快速聚合。先前報道的聚（PDES）具有綜合的導電性、透明性、彈性和自修復特性（即使在寬溫度范圍和有機溶劑極端環(huán)境中）。這些優(yōu)異的性能使聚（PDES）成為集成柔性導電基板的理想選擇。PDES的3D光聚合背后的策略，有望基于計算機設計為離子皮膚生產復雜的具有生物啟發(fā)性的結構。接下來，快速制造和易于學習將離子蒙皮的構建過程簡化為一個步驟。此外，由于雙鍵的斷裂和新共價鍵的形成，光聚合收縮在受到生物啟發(fā)的皮膚結構上產生可調節(jié)的亞微米級突起，從而通過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計鋪平道路。

受到人類皮膚表皮層和真皮層之間互鎖結構的啟發(fā)，使用立體光刻（SLA）3D打印機通過“反向序列”逐層工作過程（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的制造過程和受生物啟發(fā)的機制。

（b）高分子導電網絡聚（PDES）的合成插圖。

圖2. BIS的結構示意圖和感應機制。

（a）BIS的光學圖像。

（b）金字塔形BIS的微觀形態(tài)。

（c）使用3D輪廓儀對亞微米結構進行三維表征。

（d）在PDES聚合過程中，BIS表面亞微米級突起的形成機理。

（e，f）當外力作用于生物啟發(fā)的離子皮膚上時，證明單元結構的變形。

（g–i）在傳感過程中具有不同聚合收縮度的亞微米級結構的有限元分析。

（j-1）在光引發(fā)劑含量為0.9、0.7和0.5 wt％的情況下，亞微米級結構的SEM圖像。

圖3.金字塔型生物啟發(fā)的互鎖離子皮膚（PBIIS）的機械性能。

圖4. PBIIS制造的視覺檢測壓力傳感器。

圖5.帶有PBIIS的多功能應用。

DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c04581