研究人員開發出可防水能自愈的「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，電子皮膚在水生環境中具有透明、可拉伸，觸感敏感和自我修復的特性，可用於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這種材料，其發明首次發表在2019年2月15日的《自然電子》(Nature Electronics)雜誌上。

用途廣泛的透明防水自愈材料

助理教授Tee多年來一直致力於電子皮膚的研究，並在2012年參與開發了第一個具有自我修復功能的電子皮膚感測器。

他在這個研究領域的經驗使他發現了具有自我修復功能的電子皮膚尚未克服的關鍵障礙。他說:「目前許多自愈材料面臨的挑戰之一是它們不透明，在潮濕的環境下也不能有效工作。這些缺點使得它們應用在通常需要在潮濕的氣象條件下使用的諸如觸屏等電子應用上大打折扣。

他接著說:「這個想法促使他們將研究對象轉向水母——水母是透明的，能夠感知潮濕的環境。因此，我們一直在研究如何才能製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。」

他們成功地研製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合時，聚合物網路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。

在闡述這種結構的優點時，助理教授Tee解釋說:「大多數導電聚合物凝膠，如水凝膠，在水中會膨脹，或在空氣中隨著時間的推移會變乾。我們的材料與之不同的是，無論是在潮濕還是乾燥的環境中，它的形狀都能夠保持不變。它在海水中效果也很佳，就算是酸性或鹼性環境中也很有效。」

下一代柔性機器人

這種電子皮膚是通過將這種新材料列印到電子電路中而產生的。作為一種柔軟的、可拉伸的材料，它的電氣性能在被觸摸、擠壓或拉伸時會發生變化。助理教授Tee補充說:「我們可以測量這種變化，並將其轉換成可讀的電信號，從而創建大量不同的感測器應用程序。」

「我們開發材料的3D列印能力也顯示了製造完全透明電路板的潛力，這種電路板可以用於機器人應用。我們希望這種材料可以用於開發各種新型柔性機器人的應用，」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生物醫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品的目標是模仿生物組織，使它們更符合人機互動的機械要求。除了傳統的柔性機器人應用，這種新型材料的防水技術使兩棲機器人和防水電子產品的設計成為可能。

在這之前，曾有研究人員開發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，並能蛇形蜿蜒。研究人員表示之所以研發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、真菌還是人腦內的神經細胞，都能通過軟性延展來覆蓋距離，那麼仿生裝置應該也可以。這種柔性機器人設計允許在複雜的非結構化環境中避開障礙，這有望在管道和導管、醫療設備以及探索和搜救機器人中進行導航。

這種自我修復的電子皮膚的另一個優點是它有減少浪費的潛力。助理教授Tee解釋說:「全球每年有數百萬噸的電子垃圾來自壞手機、平板電腦等。我們希望創造一個由智能材料製成的電子設備能夠自我修復的未來，從而減少世界上的電子垃圾數量。」

未來研發方向

助理教授Tee和他的團隊將繼續他們的研究，並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製造新型光電子設備，它可以用於許多新的人機通信介面。」