港中文朱世平院士/张祺：模拟人体皮肤的比色离子有机水凝胶，用于机械刺激感测和损伤可视化

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关注 2021年5月27日 10:41

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【科研摘要】

具有感应能力的人造皮肤在可穿戴设备和软机器人的应用中具有巨大潜力。受人类皮肤功能的启发，包括通过电信号感应刺激和损伤指示的瘀伤，

最近， 香港中文大学（深圳） 朱世平加拿大工程院院士 / 张祺助理教授 团队 合成了 一种离子传导性和机械致变色有机水凝胶，并被证明是离子性皮肤（ I皮肤）。 由机械发色团交联的胶束组成的凝胶具有机械坚固性，可拉伸性和变形持久性，并具有较小的滞后性，并且还显示出良好的溶剂保留性。伸长和压缩过程中相对电阻的变化表明灵敏度较高。

在大变形下观察到从浅黄色到类似瘀青的蓝紫色的光学变化。离子导电有机水凝胶（如I皮肤）通过模仿各种身体挫伤场景的动作附着在人体的不同部位，展示了 对机械刺激的成功感知和可视化。 该作品生动地展示了一种应变传感器，具有可视化损伤和针对机械冲击的损伤警告功能。 I形皮肤可以潜在地用于包括假肢设备，可穿戴电子设备和智能机器人的应用中。 相关论文以题为 Colorimetric Ionic Organohydrogels Mimicking Human Skin for Mechanical Stimuli Sensing and Injury Visualization 发表在《 ACS Appl. Mater. Interfaces 》上。

【主图导读】

图 1.模仿皮肤的I皮肤的概念和设计。 （A）当真实皮肤受到机械冲击时，会同时产生电信号和光信号。（B）通过显示电学和光学变化感测机械刺激的I皮肤有机水凝胶的示意图。NaCl，SP和EG分别用作电解质，机械生色团和助溶剂。

图 2. （A）溶胀率（质量），以及溶剂置换过程中凝胶的照片。（B）光引发剂，聚合后的水凝胶和溶胀的有机水凝胶的紫外可见光谱。（C）离子有机水凝胶在暴露于80％相对湿度的空气下的溶剂损失。

图 3. I皮肤的 有机水凝胶 的特性及其对拉伸的响应。

图 4.通过压缩表征I皮肤有机水凝胶。

图 5. I型皮肤作为力/应变传感器的演示。

【总结】

团队提出并证明了一种离子导电性和比色的有机水凝胶，类似于人体皮肤的 I皮肤，它可以通过电信号的变化识别施加的机械刺激，并在机械冲击下显示类似瘀伤的颜色。I-皮肤凝胶由螺吡喃型机械发色团组成，该发色团对机械刺激进行比色响应，并使用乙二醇作为助溶剂来增强抗干燥能力。有机水凝胶具有良好的导电性和令人满意的机械性能，在装卸循环中表现出低滞后性和一致的电信号。 在较大的压力或强烈的冲击下会出现类似瘀青的颜色。颜色可能会持续数小时以进行可视化和跟踪应变历史。 通过模仿可能在日常生活中造成瘀伤的人类活动，I皮肤在电和光信号方 面的反应与人类皮肤相似。设计的 I型皮肤丰富了人造皮肤的功能，并为制造智能人造皮肤开辟了机会，这些人造皮肤可能会在修复设备和机器人技术领域中使用。

参考文献 ： doi.org/10.1021/acsami.1c04911

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【往期回顾】

【1】 《Science Advances》康奈尔大学马明林：可细胞递送的水凝胶反向呼吸封装系统

【2】《大分子》浙大吴子良/郑强/杜淼，华工孙桃林：氢键缔合介导的韧性超分子水凝胶的动力学和粘弹性

【3】 台湾大学徐善慧《材料化学》分层胶束结构和快速粘合性的可注射酚醛-壳聚糖自修复水凝胶

【4】 《AFM》北化刘惠玉/郭新东：NIR激光触发的微针液体创可贴，用于伤口护理