受木蛙啟發(fā)，瑞士3D打印出自修復長壽命電子皮膚

2025年6月16日，南極熊獲悉，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）研究團隊在《Communications Materials》發(fā)表研究，展示了一種可3D打印的自修復多感官電子皮膚（e-skin）。材料受木蛙皮膚低共熔溶劑（DES）化學啟發(fā)，通過雙網(wǎng)絡(luò)顆粒有機凝膠（DNGOG）結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了機械變形、溫度、濕度等多刺激的選擇性檢測，同時具備優(yōu)異的自修復能力與環(huán)境適應(yīng)性。  

仿生設(shè)計破解傳統(tǒng)電子皮膚痛點  

傳統(tǒng)電子皮膚多基于水凝膠或離子凝膠，雖具備傳感功能，但存在兩大核心缺陷：無法區(qū)分不同刺激類型（如溫度變化與機械壓力），且在干燥、低溫環(huán)境中易失效。自然界中，木蛙通過分泌膽堿衍生物與葡萄糖形成低共熔溶劑，在零下溫度下防止細胞凍結(jié)。受此啟發(fā)，研究團隊將甘油與膽堿 chloride 組成的低共熔溶劑引入有機凝膠，構(gòu)建了由聚丙烯酰胺（PAAm）網(wǎng)絡(luò)連接的聚丙烯酰胺磺酸鹽（PAMPS）微凝膠顆粒結(jié)構(gòu)。  

這種雙網(wǎng)絡(luò)顆粒有機凝膠材料展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢：  

多感官選擇性檢測：通過離子電導率變化響應(yīng)機械應(yīng)變（應(yīng)變系數(shù)0.22）、溫度（-20°C至50°C范圍內(nèi)穩(wěn)定）和濕度（相對濕度20%-80%敏感），并利用長短期記憶（LSTM）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)刺激分類，準確率達98%；  

自修復與環(huán)境魯棒性：受損后10秒內(nèi)可恢復97%的楊氏模量，在室溫下儲存14天仍保持性能穩(wěn)定，且抗凍、抗干燥能力顯著優(yōu)于傳統(tǒng)水凝膠；  

3D打印適配性：利用直接墨水書寫（DIW）技術(shù)，可打印復雜3D結(jié)構(gòu)如手指套、機器人外殼，厚度控制精度高，且打印后機械性能與模塑材料相當。  

材料性能與技術(shù)突破細節(jié)  

機械性能與自修復機制  

DNGOG的楊氏模量為0.13 MPa，拉伸斷裂應(yīng)變達510%。其自修復能力源于DES中甘油羥基與膽堿 chloride 銨基形成的強氫鍵網(wǎng)絡(luò)：當材料受損時，斷裂面的DES分子通過氫鍵快速重排，使材料在25°C、相對濕度40%條件下接觸10秒即可完成修復。實驗顯示，即使在-20°C低溫下，修復效率仍可達95%。  

導電與傳感性能  

DES的離子導電性使DNGOG具備靈敏的電學響應(yīng)：室溫下電阻率低至0.24 Ω·cm，且電阻變化與溫度、濕度、應(yīng)變呈線性關(guān)系。值得注意的是，DNGOG的顆粒結(jié)構(gòu)使其電阻率比傳統(tǒng)塊狀有機凝膠低3倍——微凝膠間隙的無聚合物區(qū)域加速了離子擴散，這一結(jié)構(gòu)設(shè)計為高性能傳感提供了基礎(chǔ)。  

機器學習賦能精準刺激分類  

研究團隊通過機器人手臂模擬觸覺事件，采集DNGOG在單一刺激（壓力/溫度）及復合刺激（壓力+溫度）下的電阻變化數(shù)據(jù)，輸入LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練。結(jié)果顯示，2D薄膜傳感器分類準確率達98%，而3D打印的凹形可穿戴設(shè)備因應(yīng)力分布更復雜，經(jīng)模型優(yōu)化后分類準確率提升至100%，證明了該技術(shù)在實際應(yīng)用中的可靠性。  

從實驗室到產(chǎn)業(yè)：可穿戴與機器人領(lǐng)域的潛在應(yīng)用  

這項研究首次將自修復、抗凍抗干燥、3D打印性與多模態(tài)傳感集成于單一材料體系。演示案例中，研究人員打印了貼合手指的可穿戴傳感套，其不僅能監(jiān)測關(guān)節(jié)運動（應(yīng)變分辨率0.01%），還能感知環(huán)境溫度變化（最小檢測0.02°C）。  

對于產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，論文作者指出：“這種電子皮膚在軟機器人抓握力控制、假肢觸覺反饋、醫(yī)療設(shè)備生理信號監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣闊前景。特別是其在極端溫度下的穩(wěn)定性，可滿足航空航天、極地科考等特殊場景需求�！�  

目前，團隊已實現(xiàn)材料量產(chǎn)工藝優(yōu)化，并計劃與醫(yī)療設(shè)備廠商合作，開發(fā)用于傷口愈合監(jiān)測的智能繃帶。這一突破為仿生電子材料的實用化邁出了關(guān)鍵一步，或?qū)⒅匦露�義下一代可穿戴技術(shù)的性能標準。  


論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s43246-025-00839-7