柔性電子技術(shù)的最新進展將柔性傳感器推向了下一代傳感技術(shù)的前沿，提供了超越傳統(tǒng)剛性傳感器局限性的變革性解決方案。與脆性傳感器不同，柔性傳感器具有出色的適應性、可拉伸性和生物相容性，能夠與動態(tài)生物表面和不規(guī)則幾何形狀無縫集成。這些獨特的屬性使其在從個性化醫(yī)療監(jiān)控到自適應人機界面的新興應用中不可或缺。功能材料的快速發(fā)展擴大了制造柔性傳感器的工具包，例如跨越金屬納米材料、導電聚合物、碳基架構(gòu)和液態(tài)金屬。其中，水凝膠已成為構(gòu)建高性能柔性傳感器的特別有前景的候選者?；谒z的傳感器以其類似組織的柔軟性、可調(diào)的機械性能和內(nèi)在的生物相容性為特征，模仿生物系統(tǒng)的順應性，同時能夠靈敏地檢測機械、熱和生化刺激。當用導電網(wǎng)絡功能化時，這些富水聚合物表現(xiàn)出優(yōu)異的應變敏感性、快速響應和長期穩(wěn)定性，在人體運動檢測精度方面超越了許多傳統(tǒng)的柔性材料。

水凝膠傳感器的獨特功能使其成為開發(fā)多功能電子皮膚（e-skin）的理想平臺。一個關鍵的先決條件是在水凝膠和生物表面之間實現(xiàn)強大的界面粘附，以確保穩(wěn)定的信號采集和傳導。最近的進展通過基于多巴胺的鄰苯二酚偶聯(lián)、氫鍵增強網(wǎng)絡和動態(tài)希夫堿反應等策略產(chǎn)生了生物粘附水凝膠。然而，軟機器人和人機界面中的新興應用需要更復雜的附著力控制。具體來說，電子皮膚的底層應牢固地粘附在皮膚或器官表面等信號源上，以實現(xiàn)穩(wěn)定的信號收集，而上表面應不具有粘性，以避免與衣物或外部物體偶然接觸造成的干擾。目前單方面粘附的方法依賴于不對稱的表面改性，例如用于梯度交聯(lián)的氧抑制聚合或等離子體處理的疏水上層。雖然這些方法實現(xiàn)了適度的粘附對比，但它們在長時間的機械應力下存在分層風險，需要復雜的多步驟制造。

差異粘附的構(gòu)建確實可以通過日常生活中容易觀察到的簡單吸氣來實現(xiàn)。一個值得注意的例子是中國年糕，這是中國新年慶祝活動中的一種傳統(tǒng)美食。剛蒸熟的米餅在整個表面上表現(xiàn)出均勻的強粘附性。然而，在儲存過程中，上表面會經(jīng)歷脫水誘導的氫鍵網(wǎng)絡致密化。這種結(jié)構(gòu)重組使分子鏈通過增強氫鍵形成更緊湊的構(gòu)型，從而降低表面自由能并掩埋粘合官能團。相比之下，由于與板的接觸受到限制，底面保持了很強的附著力，這可以防止類似的脫水，并保留了原始的氫鍵網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。這種固有的Janus粘附消除了后處理步驟，并確保了操作穩(wěn)定性。

此外，受控的干燥條件會導致米餅表面皺紋的形成，從而產(chǎn)生與人類皮膚紋理相似的形態(tài)特征。這種工程化的類皮膚紋理在電子皮膚技術(shù)中具有巨大的應用潛力。例如，它們可以用作人體表面的保形涂層，以盡量減少與自然皮膚的視覺差異，同時保持傳感功能，從而實現(xiàn)美學集成和功能性能。這些紋理結(jié)構(gòu)也有望成為人形機器人表皮的候選者，增強機器人表面的仿生真實性。此外，模仿指紋特征的紋理模式可以提高機器人觸覺傳感器的信號轉(zhuǎn)導保真度和反饋響應性，特別是在基于接觸的傳感或精確操縱任務中。這些進步共同促進了仿生柔性傳感、人機界面和擬人機器人感知增強的發(fā)展。通常，年糕中具有高柔性的天然大分子鏈傾向于形成平坦致密的層，而不是明顯的皺紋。然而，這一現(xiàn)象為紋理工程提供了寶貴的啟示，因為通過引入剛性結(jié)構(gòu)組件來放大局部應力不均勻性，可以促進紋理結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

本文亮點

1. 本工作受中國傳統(tǒng)食品年糕的啟發(fā)，通過一鍋法制造了一種表面具有不對稱Janus粘附和紋理結(jié)構(gòu)的類皮膚生物水凝膠，并被評估為用于傳感和人機交互的電子皮膚。

2. e-skin是通過氫鍵和金屬配體配位構(gòu)建的，具有良好的韌性和拉伸性（抗拉強度為173 kPa，應變?yōu)?593%）。e-skin的底面達到了66.7 kPa的粘附強度，上表面在不同的基材上沒有粘附，這確保了底部信號的穩(wěn)定收集，避免了與上側(cè)衣物或外部物體偶然接觸的干擾。

3. 皮膚模擬紋理是在干燥過程中產(chǎn)生的，這賦予了水凝膠與生物皮膚相當?shù)囊曈X真實性；因此，它可用于人形機器人的疤痕覆蓋和皮膚封裝。

4. e-skin具有出色的生物相容性以及93.5%的高自愈效率，是為多用途實時應用而開發(fā)和驗證的。

5. 它能夠基于EMG和EEG信號準確識別手勢，實時控制輔助機器人手臂，突顯了其在下一代美學和功能性可穿戴電子產(chǎn)品中的潛力。

圖文解析

圖1. a） PPAlCxGy水凝膠的設計和制造示意圖。b）人體皮膚（上）和PPAlCxGy水凝膠（下）的表面顯微照片。c）PPAlCxGy水凝膠的FTIR光譜。d）PPAlCxGy水凝膠的整體和放大的橫截面形態(tài)。e）PPAlCxGy水凝膠薄膜的數(shù)碼照片，顯示其光學透明度。

圖2. PPAlCxGy水凝膠的粘附性能。a）沙子、紙巾和木屑在不對稱粘性水凝膠上的粘附行為示意圖。b）不對稱粘合劑PPAlCxGy水凝膠對填充有羅丹明b溶液的一次性塑料滴管的不同修復性能。c）PPAlCxGy水凝膠粘合表面和非粘合表面的XPS光譜：c 1s和O 1s以及Al 2p區(qū)域。d）附著力測試圖示。e）PPAlCxGy水凝膠在不同基材上的粘附強度。f）水凝膠和不同基質(zhì)之間可能的粘附機制示意圖。

圖3. a） PPAlCxGy水凝膠的變形。b）拉伸應力-應變曲線。c）自愈機制示意圖。d）原始水凝膠和自愈水凝膠的拉伸應變-應力曲線。e）G'和G“”的角頻率依賴性。f）PPAlC3G2和g）PPAlC5G0水凝膠L929細胞的活/死染色形態(tài)。L929細胞對h）PPAlC3G2和i）PPAlC5G0水凝膠的細胞存活率。

圖4. PPAlCxGy水凝膠的機電性能。a）響應和恢復時間。b）超過2000次加載和卸載循環(huán)的循環(huán)穩(wěn)定性試驗。實時運動監(jiān)測。c）手腕彎曲，d）頸部彎曲，e）肘部彎曲，f）膝蓋彎曲，g）腳踝彎曲，h）說話，i）手指彎曲一定角度。

圖5. a） 輔助機械臂的控制圖。b）從不同手勢識別EMG信號。c）基于EEG信號的反饋控制系統(tǒng)，用于控制輔助機器人手臂。

來源：柔性傳感及器件