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  生物皮膚是生物體直接與外界環(huán)境接觸的智能器官，具有保護、感知、偽裝和通訊等多種功能。受生物皮膚的啟發(fā)，科研人員設(shè)計了許多智能仿生皮膚，包括電子皮膚、離子皮膚和光子皮膚。離子皮膚是一類新型智能材料，它可以通過模仿生物皮膚的離子傳導(dǎo)機制來感知各種外部刺激(如應(yīng)變、壓力和振動等)，在人體運動監(jiān)測和健康管理等眾多應(yīng)用領(lǐng)域引起了人們廣泛的關(guān)注。目前，關(guān)于離子皮膚的研究均致力于提高材料的拉伸延展性和單一電信號傳感的靈敏度和穩(wěn)定性。然而，對于可穿戴材料所需的可視化顯示、多信號傳感以及特定的多功能性(如異質(zhì)黏附、抗菌、防偽和自供電等)一直被研究人員所忽視。這極大的限制了離子皮膚在人機交互和智能穿戴領(lǐng)域的實際應(yīng)用。

  鑒于此，川大金勇教授團隊受到自然界生物皮膚的啟發(fā)，首次通過一種不對稱的雙層結(jié)構(gòu)色水凝膠(ADSCH)，成功實現(xiàn)了同時具有異質(zhì)黏附、抗菌、防偽和自供電功能的光電雙信號傳感的交互式離子皮膚(如圖1)。其中，ADSCH的上層是通過犧牲模板法制備的具有反蛋白石結(jié)構(gòu)的聚陽離子(疏水性季銨鹽-丙烯酰胺)水凝膠。下層是在上層基礎(chǔ)上通過層層逐步聚合制備的聚陰離子(丙烯酸-丙烯酸鈉)/聚多巴胺水凝膠。

  所得到的交互式離子皮膚具有良好的柔韌性、出色的拉伸延展性(~800%)、良好的導(dǎo)電性(~6 ms cm^-1)及鮮艷的結(jié)構(gòu)色。由于離子聚合物優(yōu)異的離子傳導(dǎo)性和水凝膠內(nèi)反蛋白石結(jié)構(gòu)引起的結(jié)構(gòu)色，該離子皮膚不僅可以通過改變相對電阻來顯示電信號，還可以根據(jù)光子晶體晶格間距的調(diào)整提供可視化的光信號。因此，該離子皮膚可以同時通過視覺顏色和相對電阻變化來監(jiān)測外界張力(GF：2.59；響應(yīng)時間：597 ms；機致變色靈敏度：1.34 nm %^-1)和壓力(靈敏度：-3.73 kPa^-1；響應(yīng)時間：400 ms；機致變色靈敏度：4.94 nm kPa^-1)。

  此外，該交互式離子皮膚還具有明顯的不對稱粘附性；其上層具有抗粘附性，可以防止灰塵或測試對象的粘附；而下層可以可逆地粘附在不同的基材上，包括玻璃、聚乙烯塑料、不銹鋼、紙板、羊皮和人體皮膚；這歸功于水凝膠內(nèi)具有粘附性的羧基和兒茶酚官能團。上層的疏水性季銨鹽基團也能賦予離子皮膚出色的抗菌能力(Log reduction＞4.44)�；谏鲜鎏囟ǖ墓δ埽�該離子皮膚可以粘附在人體皮膚上，對人體運動進行實時可視化監(jiān)測。更重要的是，由于雙層具有不同電性能，離子皮膚可以被賦予自供電能力，從而收集運動過程中產(chǎn)生的機械能。離子皮膚還可以被設(shè)計成彩色可變色條形碼，顯示出獨特的防偽和信息存儲功能。因此，該交互式多功能離子皮膚在人機交互、健康診斷和人體運動監(jiān)測等方面顯示出廣闊的應(yīng)用潛力。

 圖3. 交互式仿生離子皮膚的機致變色響應(yīng)。 

圖5. 交互式仿生離子皮膚的異質(zhì)黏附、抗菌及彩色條形碼功能。

圖6. 交互式仿生離子皮膚用于可視化監(jiān)測及自發(fā)電傳感。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722010981?via%3Dihub