背景

   机械感测是皮肤的重要感觉能力，例如感测压力以控制抓握并检测弯曲角度以监视身体运动。具有皮肤机械感测能力的电子皮肤（E-skin）被认为有希望应用于假肢和高级机器人。然而，这些电子设备往往需要外接电源，或者自供电E-skin无法承受变形和机械损坏，因为这对于设备的刚性具有较高的要求。

   受人类皮肤的自修复启发，自愈聚合物有希望应用于刚性和自供电的E-skin。之前报道的自供电E-skin的摩擦电层和电极往往由异质材料组成，其摩擦电层和电极之间具有不同的模量和高模量失配，这导致在拉伸变形期间电极断开或在界面处剥离。当拉伸E-skin时，此问题会导致机械传感能力的不稳定。另外，异质材料具有不同的自我修复能力，基于异质结构的自供电E-skin很难实现摩擦电层、电极以及断裂后各层之间的界面的完全自修复。

成果

   基于以上问题，北京科技大学材料科学与工程学院张跃院士和廖庆亮教授团队，制备出一种具有优异机械韧性和自修复能力的导电聚氨酯弹性体（PUE）。基于PUE均匀结构和摩擦电-静电感应效应，开发了一种高强度且自供电的电子皮肤（HRSE-skin）。HRSE-skin在50％拉伸变形过程中具有稳定的机械传感能力。此外，由于均匀结构具有完全自我修复能力，HRSE-skin在断裂后可以恢复其拉伸性和机械传感能力。相关成果以“Highly Robust and Self-Powered Electronic Skin Based on Tough Conductive Self-Healing Elastomer”为题发表在《ACS nano》上。

1. 设计策略和机械性能

图1 绝缘PIE膜、导电PIE膜和马皮的成分和机械性能

  具有优异机械韧性和自修复能力的导电聚氨酯弹性体（PUE）被用于自供电E-skin。基于自愈绝缘/导电PUE均匀结构和摩擦静电感应效应，HRSE-skin高度坚固且自供电。绝缘PUE和导电PUE之间具有相似的模量、化学键和分子结构，可以在均质结构中实现低模量失配和完全自愈。HRSE-skin可以在接缝处滚动，并以35 N的张力拉伸至352％，表明具有出色的柔韧性和可拉伸性(图1 d)。HRSE-skin的恢复滞后在第一个循环后约为10％，在随后的50％拉伸变形过程中，拉伸环几乎重叠（图1 e）。HRSE-skin的循环拉伸性能与人体皮肤的可拉伸性（变形30％）相当。以上结果表明，HRSE-skin具有出色的机械性能。

2. 工作原理和机械传感能力

图2 表征HRSE-skin的工作原理和传感性能

   HRSE-skin是基于摩擦静电感应效应，通过物体与HRSE-skin之间的电子转移在接触分离过程中形成变化的静电场(图2 a)。HRSE-skin的机械感测灵敏度定义为当前压力曲线的斜率。由于摩擦电荷饱和和接触面积的增加，如图2 b，随着压力的增大，斜率减小。并且，如图2 c所示，在超过1000次重复的机械感测测试中，响应电流没有降级，而且，在机械传感稳定性测试中，表现出了优异的稳定性(图2 d-2 f),表明HRSE-skin可广泛应用于机器人或假肢应用中以实现稳定的机械传感。

3. 自愈能力

图3 绝缘PIE膜、导电PIE膜和HRSE-skin的完全自愈能力的光学图像

   图3显示了基于绝缘/导电PUE膜的HRSE-skin的完全自我修复能力。经过24 h后，相比于原始状态，具有一定宽度的槽消失了。这种完全自我修复的能力可以归因于具有相同分子链和化学键的完全有机均质结构。因此，可以在HRSE-skin皮肤上进行从电极到摩擦电层的完全自愈，而不会受到层间界面的阻碍。

4. HRSE-skin的拉伸性和机械感测能力的自我修复

   如图4 a,将切断自愈5 min后的HRSE-skin，发现电极的电阻变化太小而不会引起机械传感能力的显着下降。24 h后，HRSE-skin机械感测能力恢复到原来的92%，这些性能与原始状态相同，表明通过延长自我修复时间恢复了HRSE-skin的机械传感能力。而自愈后拉伸性却不尽人意。为了提高其子自愈后的拉伸性，温度从25升到了75℃。如图4 a和4 b所示，在同一位置进行第三次自我修复后，拉伸能力和感测能力分别保持在85％和91％。即使重复10次自我修复后，拉伸能力的平均值也可达到为90％，表明HRSE-skin足够坚固。

图4表征和解释HRSE-skin的完全自我修复能力

   自我修复能力的偏差可能与重新连接后破裂的HRSE-skin无法完全对齐有关。HRSE-skin的未对齐表面的自修复效果不理想，因此可拉伸性的自修复效率会有所不同。当设备遭受机械损坏时，出色的自我修复能力使HRSE-skin极为坚固。而HRSE-skin优异的自愈能力是通过在PU分子链中引入二硫键和多重氢键来实现(图4 c, d)。

5. HRSE-skin的实际应用

图5 实际应用中HORSE皮肤的自愈能力和稳定的机械感测能力

   完美的自愈能力使骨折后的HRSE-skin具有可恢复的拉伸性和机械传感能力。将与LED串联的HRSE-skin切开，然后重新连接在一起。5 min后，重新连接的HRSE皮肤可以弯曲而不会破裂，并且LED的亮度得以恢复。75℃后加热24 h，可以将自愈的HRSE-skin拉伸并用于感知手指弯曲(图5 a，b)。这种完美的完全自我修复能力使HRSE-skin具有能力来抵抗机械损伤。此外，均匀结构中的低模量失配使得HRSE-skin在变形过程中具有稳定的机械传感能力。如图 5 c中所示，将HRSE-skin附着到假肢上以使其弯曲在一起，并以相似的压力对其进行挤压。图5 d显示了HRSE皮肤在弯曲和拉伸过程中对压力的响应电流没有明显变化。

结论

   这项研究通过制备导电自愈PUE和构建均匀结构来解决自供电电子皮肤低刚性的问题，这个自供电E-skin对于在假肢和高级机器人的实际应用具中有重要意义。