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纤维素做成“电子皮肤”, 弹性好还抗冻!

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2024-01-10 16:22

这款“电子皮肤”弹性好还抗冻。近日,南京林业大学化学工程学院卢传巍副教授在国际权威期刊《先进功能材料》发表论文,其团队研发的超能“电子皮肤”,可为摩擦纳米发电机、人体运动监测以及人机交互等领域提供较高的应用价值。

脑洞大开,用林木生物质资源研制“电子皮肤”

“电子皮肤”是一种可以让机器人产生触觉的系统,可被加工成各种形状,能像衣服一样附着在设备表面,能够让机器人感知到物体的地点和方位以及硬度等信息。

传统“电子皮肤”常用的材料是水凝胶,因为有水分子,所以温度高了会蒸发,温度低了会结冰。这些年来,科研人员一直在寻求好的材料。卢传巍副教授团队在翻阅文献得知,共晶凝胶因优异的生物相容性、绿色无毒和高导电性等特性,被认为是设计开发电子皮肤的理想材料之一。然而,常见的共晶凝胶存在临时链缠结、分子链间摩擦以及拉伸过程中链缠结的解缠等问题,导致明显的弹性滞后,其弹性性能难以与人类皮肤相匹配,因而在实时传感应用中存在与人类组织机械失配和实时传感信号滞后等不足。

“我们是研究林木的,可不可以用林木生物质资源作为突破口?”就这样,他们经过两年的研制,将纤维素引入金属盐低共熔溶剂(熔融盐)体系,终于研制出一款特别的“电子皮肤”,有超高回弹性能,其回弹系数高达98.1%。不仅如此,导电性能和抗冻性能也极强。近日,他们的研究成果发表于国际权威期刊《先进功能材料》。

为获取一手材料,用自己身体做实验

“或许可以把这种熔融盐与纤维素配比,制出特别的共晶凝胶,也就是特殊的‘电子皮肤’。”这种大胆设想让团队很兴奋,但如何配制却成为了一道难题。

一开始,他们将熔融盐与从林木中提取的纤维素混合后,总是无法呈现完全溶解的透明状态。“就像在清水中放入一团棉花似的,达不到完全溶解的效果。”卢传巍是位90后科研者,他的风格就是带领团队不停探索。后来,他们决定引入酸性物质——丙烯酸,果真,这使熔融盐和纤维素完全相融。

三种物质一同混合,最佳配比是多少呢?他们尝试了许多许多次。“从配比、混合溶解、紫外光照,到最后得到共晶凝胶,每次实验需要至少10小时的时间。而我们这个成果,需要经过上百次的实验。”卢传巍的研究生王欣语介绍,“当纤维素太少时,共晶凝胶的弹力会不足;而当纤维素太多时,共晶凝胶又会太脆。”在得到这种共晶凝胶之后,他们还需要通过计算机模拟共晶凝胶的分子结构,测试它的弹性。最终,他们得到的共晶凝胶弹性可以达到98.1%,而一般凝胶的弹性通常低于90%,这是非常大的突破。

如何测试它的弹性?为了第一时间得到数据,科研人员用自己的身体做实验。“其实,材料本身没有毒性,所以,我们一点不担心。”王欣语说,每次实验,她会在自己的手上固定一块小小的“电子皮肤”,通过蓝牙连接实现“人机交互”——控制机械手的动作,而贴在手上的“电子皮肤”毫无束缚感,手指弯曲完全自如。

提供更多应用价值,为智能生活服务

“你看,正是因为这款‘电子皮肤’优异的弹性,才能实现实时传感,可以实时监测实验者的心率、呼吸等。”卢传巍介绍。让研究者更兴奋的是,该共晶凝胶在-20摄氏度下依旧保持较好的弹性性能,也就是说,这款“电子皮肤”还抗冻。

纤维素共晶凝胶有优异的生物相容性、绿色无毒和高导电性等特性,而且具有无液体、高回弹和抗冻的特性。性能与人类皮肤非常匹配,如此一来,“可穿戴设备”电子皮肤在材料层面就拥有了新突破。将来可作为电极材料被用于组装摩擦纳米发电机,在人体运动监测以及人机交互等领域也展现出巨大的应用潜力。“这个突破将会给我们的生活带来更多的智能体验。”卢传巍说。


南京日报/紫金山新闻记者 李花

实习生  包煜

通讯员  尹申申