陳根：水凝膠“人造皮膚”，可拉伸77倍_風聞

文|陳根

水凝膠是一種很有前途的材料，可以用來製造類似皮膚的機械傳感器。基於水凝膠的人造皮膚設計**，一般需要在兩層水凝膠層之間夾一層介質以實現電容傳感。**然而，這種平面結構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學傳感器，與人體皮膚一樣能夠感知外界不同的壓力，也可暢通傳導觸覺信號的最基本功能。早在2003年，日本東京大學的研究團隊就利用低分子有機物並五苯分子製成薄膜，通過其表面密佈的壓力傳感器，實現了人造皮膚感知壓力。

近日，南京大學物理學院的研究人員在凝膠基質中分散添加表面被多肽覆蓋的石墨烯片，開發了具有體相電容結的單層複合水凝膠，可用於構建具備多重傳感模式的人造皮膚“SHARK”（single-layer hydrogel artificial skin）。

與傳統的三明治電容傳感器不同，SHARK被認為是由無數分散於凝膠基質中的微納電容器組成的，這些微納電容器分散但相互連接，類似於聚合物太陽能電池的結構，與人體皮膚的傳感機制高度相似。

這種獨特的層級設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，並在0-2600%的形變範圍內保持線性傳感特性。

值得一提的是，該材料能夠在受損後迅速恢復其機械和電學特性。由於其快速自修復特性，該種材料能夠直接進行3D打印，應用於複雜的傳感芯片製備，打印精度達到200微米。

此外，研究團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境中的應變和壓力，為下一代離子電子學提供了機遇。

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