吉大 Adv. Mater.：机械性能优异、有弹性且可修复的离子凝胶构建高度敏感的超耐用离子皮肤

【背景介绍】

众所周知，柔性、模仿皮肤的传感器能够将各种刺激转换为电信号，是可穿戴电子器件、人机系统等应用的关键组件。其中，离子皮肤（I-皮肤）模仿基于离子传导的自然皮肤的传感功能。通常，I-皮肤由可拉伸的离子导电水凝胶和离子凝胶制成，分别是无机盐水溶液和离子液体溶胀的聚合物网络。当将I-皮肤用作可靠传感器时，其应变能力、压力敏感度和耐用性至关重要。然而，制造同时具有这些优点的I-皮肤仍然面临着巨大的挑战。此外，良好的环境稳定性也是I-皮肤长期应用的重要属性。研究发现，自/可修复材料具有修复机械损伤和恢复功能的能力，从而延长使用寿命并提高其可靠性和耐久性。受天然皮肤启发，具有足够离子电导率的I-皮肤具有良好的可修复性和经过精心设计的机械性能，可在各种应变和压力范围内实现高灵敏度和长期耐久性。虽然离子导电水凝胶已被广泛用于制备I-皮肤，但是其传感性能随所得水凝胶的脱水而降低。

【成果简介】

基于此，吉林大学的孙俊奇教授（通讯作者）团队报道了一种通过将离子液体（ILs）浸入到机械性能优异的poly(urea-urethane)（PU）网络中，制造出具有优异的可修复性和高灵敏度的超耐用离子皮肤（I-skins）。其中，PU网络是由结晶的聚（ε-己内酯）和柔性的聚（乙二醇）通过受阻的脲键和氢键动态交联组成。利用该设计策略所制备的离子凝胶具有较高的机械强度、良好的弹性，与天然皮肤相似的杨氏模量，并且具有极好的自修复性。基于离子凝胶的I-皮肤在各种应变（0.1-300％）和压力（0.1-20 kPa）下都表现出高的灵敏度。更重要的是，在10000次不间断的应变循环中，I-皮肤显示出高度可重复的电响应。在露天存放200天后，I-皮肤的传感性能几乎与刚制备的I-皮肤的感官性能相同。此外，破裂的I-皮肤可以通过在65 °C的温度下加热而轻松的自修复，从而恢复了其原始的超耐用传感性能。研究发现，I-皮肤的长期耐用性是由于ILs的非挥发性、出色的可修复性和精心设计的机械性能。研究成果以题为“Mechanically Robust, Elastic, and Healable Ionogels for Highly Sensitive Ultra-Durable Ionic Skins”发布在国际著名期刊Adv. Mater.上。

【图文解读】

图一、离子凝胶的单体结构和网络结构
（a）PU网络的化学结构；

（b）PU-IL离子凝胶的制造过程示意图；

（c）PU-IL₂离子凝胶的数字图像及其相应的示意结构。

图二、离子凝胶的性能测试
（a）PU网络以及PU-IL₁和PU-IL₂离子凝胶的DSC曲线；

（b）PU-IL₁和PU-IL₂离子凝胶的应力-应变曲线；

（c）PU-IL₂离子凝胶的十次连续的负载-未负载循环；

（d）PU-IL₁离子凝胶的十次连续的负载-未负载循环。

图三、I-皮肤的性能测试
（a）基于PU-IL₂离子凝胶的I-皮肤的相对电阻变化与应变的关系；

（b）在小应变下，基于PU-IL₂离子凝胶的I-皮肤的相对电阻变化；

（c）在大应变下，基于PU-IL₂离子凝胶的I-皮肤的相对电阻变化；

（d）在5％应变下进行10000次循环时I-皮肤的循环稳定性；

（e）在100％应变下进行1000次循环时I-皮肤的循环稳定性；

（f）在5％应变下于露天存放200天后，I-皮肤进行10000次循环时的循环稳定性。

图四、I-皮肤的相对电阻随时间变化，以实时监测各种人体运动
（a）将I-皮肤固定在不同角度弯曲的手指上，相对电阻随时间的变化；

（b-c）手指和肘部的反复弯曲/未弯曲运动，相对电阻随时间的变化；

（d）通过将I-皮肤固定在手腕上获得的脉冲测量值。

图五、不同状态下，离子凝胶的性能及其构建的I-皮肤的稳定性
（a）PU-IL₂离子凝胶切成两半、愈合2 h后、拉伸后的数字图像；

（b）原始的PU-IL2离子凝胶和PU-IL₂离子凝胶先被切成两半，后愈合0.5、1、2和3 h后的应力-应变曲线；

（c）在5％应变下进行10000次循环后，愈合后I-皮肤的循环稳定性；

（d）在100％应变下进行1000次循环后，愈合后I-皮肤的循环稳定性。

【小结】

综上所述，作者报道了通过将ILs注入PU网络中形成具有高灵敏度的可修复和超耐用的PU-IL₂离子凝胶基I-皮肤。I-皮肤具有机械强度、高弹性，并具有0.42 MPa的杨氏模量，与人体皮肤相似。因此，I-皮肤可以高度灵敏地监测各种应变（0.1-300％）和压力（0.1-20 kPa）。更重要的是，在露天存储200天后，I-皮肤在5%的应变和10000次不间断的应变循环中，表现出高度可靠的响应，表明I-皮肤作为应变传感器具有超强的耐用性。同时，PU-IL2离子凝胶中的动态HUB和氢键赋予I-皮肤出色的损伤自修复能力，可以进一步延长其使用寿命并增强其耐用性。此外，I-皮肤的出色耐用性还归因于ILs的非挥发性以及PU-IL2离子凝胶的设计良好的机械性能。具有高灵敏度的超耐用I-皮肤对于可穿戴电子器件、入式器件和软机器人技术非常有用。总之，该研究开发的耐用I-皮肤的设计可以扩展到制造各种高度敏感、可靠和耐用的I-皮肤。同时，该研究提出了一种有效的方法来弥合人造皮肤和真实皮肤之间的差距。

文献链接：Mechanically Robust, Elastic, and Healable Ionogels for Highly Sensitive Ultra-Durable Ionic Skins.（Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202002706）

本文由CQR编译。

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