文|陳根

水凝膠是一種很有前途的材料，可以用來制造類似皮膚的機械傳感器?；谒z的人造皮膚設(shè)計，一般需要在兩層水凝膠層之間夾一層介質(zhì)以實現(xiàn)電容傳感。然而，這種平面結(jié)構(gòu)限制了皮膚的靈敏度、延展性和自愈性。

人造皮膚是一類重要的生物醫(yī)學(xué)傳感器，與人體皮膚一樣能夠感知外界不同的壓力，也可暢通傳導(dǎo)觸覺信號的最基本功能。早在2003年，日本東京大學(xué)的研究團(tuán)隊就利用低分子有機物并五苯分子制成薄膜，通過其表面密布的壓力傳感器，實現(xiàn)了人造皮膚感知壓力。

近日，南京大學(xué)物理學(xué)院的研究人員在凝膠基質(zhì)中分散添加表面被多肽覆蓋的石墨烯片，開發(fā)了具有體相電容結(jié)的單層復(fù)合水凝膠，可用于構(gòu)建具備多重傳感模式的人造皮膚“SHARK”（single-layer hydrogel artificial skin）。

與傳統(tǒng)的三明治電容傳感器不同，SHARK被認(rèn)為是由無數(shù)分散于凝膠基質(zhì)中的微納電容器組成的，這些微納電容器分散但相互連接，類似于聚合物太陽能電池的結(jié)構(gòu)，與人體皮膚的傳感機制高度相似。

這種獨特的層級設(shè)計使其具備極大的等效電容面積和超高的傳感靈敏度，任何微小的機械刺激都可以很大程度改變其總體電容。實驗中，其可拉伸至原來長度的77倍，并在0-2600%的形變范圍內(nèi)保持線性傳感特性。

值得一提的是，該材料能夠在受損后迅速恢復(fù)其機械和電學(xué)特性。由于其快速自修復(fù)特性，該種材料能夠直接進(jìn)行3D打印，應(yīng)用于復(fù)雜的傳感芯片制備，打印精度達(dá)到200微米。

此外，研究團(tuán)隊展示了該材料在手指傳感、聲波傳感和水下傳感方面的應(yīng)用示例，證明了其在不同傳感模式和場景下均具備可靠的傳感和抗疲勞特性。其有效感知空氣和水環(huán)境中的應(yīng)變和壓力，為下一代離子電子學(xué)提供了機遇。

總的來說，該凝膠材料具備出色的拉伸性能、自修復(fù)能力和可打印特性，在新一代柔性離子電子器件中有廣泛的應(yīng)用前景。目前，相關(guān)研究成果發(fā)表在《國家科學(xué)評論》（National Science Review, NSR）上。