研究人員開發(fā)出可防水能自愈的“神仙級”電子皮膚 跟仿生柔性機器人是絕配

來自新加坡國立大學的一組科學家從水母等無脊椎動物身上獲取靈感，創(chuàng)造出具有類似功能的電子皮膚。

就像水母一樣，電子皮膚在水生環(huán)境中具有透明、可拉伸，觸感敏感和自我修復(fù)的特性，可用于從防水觸摸屏到水生柔性機器人等各種用途。

來自新加坡國立大學工程系材料科學與工程系的助理教授benjamin tee和他的團隊，以及清華大學和加州大學河濱分校的合作者，共同開發(fā)了這種材料。

這個由8名研究人員組成的團隊花了一年多的時間開發(fā)這種材料，其發(fā)明首次發(fā)表在2019年2月15日的《自然電子》(nature electronics)雜志上。

用途廣泛的透明防水自愈材料

助理教授tee多年來一直致力于電子皮膚的研究，并在2012年參與開發(fā)了第一個具有自我修復(fù)功能的電子皮膚傳感器。

他在這個研究領(lǐng)域的經(jīng)驗使他發(fā)現(xiàn)了具有自我修復(fù)功能的電子皮膚尚未克服的關(guān)鍵障礙。他說:“目前許多自愈材料面臨的挑戰(zhàn)之一是它們不透明，在潮濕的環(huán)境下也不能有效工作。這些缺點使得它們應(yīng)用在通常需要在潮濕的天氣條件下使用的諸如觸屏等電子應(yīng)用上大打折扣。

他接著說:“這個想法促使他們將研究對象轉(zhuǎn)向水母——水母是透明的，能夠感知潮濕的環(huán)境。因此，我們一直在研究如何才能制造出一種既能模仿水母的耐水特性，又能對觸摸敏感的人造材料。”

他們成功地研制出了一種由富含氟離子液體的含氟碳聚合物組成的凝膠。當聚合物與離子液體結(jié)合時，聚合物網(wǎng)絡(luò)通過高度可逆的離子偶極子與離子液體相互作用，使其能夠自愈。

在闡述這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點時，助理教授tee解釋說:“大多數(shù)導電聚合物凝膠，如水凝膠，在水中會膨脹，或在空氣中隨著時間的推移會變干。我們的材料與之不同的是，無論是在潮濕還是干燥的環(huán)境中，它的形狀都能夠保持不變。它在海水中效果也很佳，就算是酸性或堿性環(huán)境中也很有效。”

下一代柔性機器人

這種電子皮膚是通過將這種新材料打印到電子電路中而產(chǎn)生的。作為一種柔軟的、可拉伸的材料，它的電氣性能在被觸摸、擠壓或拉伸時會發(fā)生變化。助理教授tee補充說:“我們可以測量這種變化，并將其轉(zhuǎn)換成可讀的電信號，從而創(chuàng)建大量不同的傳感器應(yīng)用程序。”

“我們開發(fā)材料的3d打印能力也顯示了制造完全透明電路板的潛力，這種電路板可以用于機器人應(yīng)用。我們希望這種材料可以用于開發(fā)各種新型柔性機器人的應(yīng)用，”同樣來自新加坡國立大學電氣和計算機工程系以及新加坡國立大學全球健康研究與技術(shù)生物醫(yī)學研究所的助理教授tee補充道。

柔性機器人和一般的柔性電子產(chǎn)品的目標是模仿生物組織，使它們更符合人機交互的機械要求。除了傳統(tǒng)的柔性機器人應(yīng)用，這種新型材料的防水技術(shù)使兩棲機器人和防水電子產(chǎn)品的設(shè)計成為可能。

在這之前，曾有研究人員開發(fā)出一種全新的仿藤機器人，能夠在不移動整個身體的情況下，長距離生長，并能蛇形蜿蜒。研究人員表示之所以研發(fā)出柔性機器人是受到自然的啟示。生物具有生長的特性，無論是藤蔓、真菌還是人腦內(nèi)的神經(jīng)細胞，都能通過軟性延展來覆蓋距離，那么仿生裝置應(yīng)該也可以。這種柔性機器人設(shè)計允許在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中避開障礙，這有望在管道和導管、醫(yī)療設(shè)備以及探索和搜救機器人中進行導航。

這種自我修復(fù)的電子皮膚的另一個優(yōu)點是它有減少浪費的潛力。助理教授tee解釋說:“全球每年有數(shù)百萬噸的電子垃圾來自壞手機、平板電腦等。我們希望創(chuàng)造一個由智能材料制成的電子設(shè)備能夠自我修復(fù)的未來，從而減少世界上的電子垃圾數(shù)量。”

未來研發(fā)方向

助理教授tee和他的團隊將繼續(xù)他們的研究，并希望在未來進一步探索這種材料的可能性。他說:“目前，我們正在利用這種材料的綜合性能來制造新型光電子設(shè)備，它可以用于許多新的人機通信接口。”