柔性電子技術(shù)的最新進(jìn)展將柔性傳感器推向了下一代傳感技術(shù)的前沿，提供了超越傳統(tǒng)剛性傳感器局限性的變革性解決方案。與脆性傳感器不同，柔性傳感器具有出色的適應(yīng)性、可拉伸性和生物相容性，能夠與動(dòng)態(tài)生物表面和不規(guī)則幾何形狀無(wú)縫集成。這些獨(dú)特的屬性使其在從個(gè)性化醫(yī)療監(jiān)控到自適應(yīng)人機(jī)界面的新興應(yīng)用中不可或缺。功能材料的快速發(fā)展擴(kuò)大了制造柔性傳感器的工具包，例如跨越金屬納米材料、導(dǎo)電聚合物、碳基架構(gòu)和液態(tài)金屬。其中，水凝膠已成為構(gòu)建高性能柔性傳感器的特別有前景的候選者。基于水凝膠的傳感器以其類似組織的柔軟性、可調(diào)的機(jī)械性能和內(nèi)在的生物相容性為特征，模仿生物系統(tǒng)的順應(yīng)性，同時(shí)能夠靈敏地檢測(cè)機(jī)械、熱和生化刺激。當(dāng)用導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)功能化時(shí)，這些富水聚合物表現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)變敏感性、快速響應(yīng)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)精度方面超越了許多傳統(tǒng)的柔性材料。

水凝膠傳感器的獨(dú)特功能使其成為開(kāi)發(fā)多功能電子皮膚（e-skin）的理想平臺(tái)。一個(gè)關(guān)鍵的先決條件是在水凝膠和生物表面之間實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的界面粘附，以確保穩(wěn)定的信號(hào)采集和傳導(dǎo)。最近的進(jìn)展通過(guò)基于多巴胺的鄰苯二酚偶聯(lián)、氫鍵增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)態(tài)希夫堿反應(yīng)等策略產(chǎn)生了生物粘附水凝膠。然而，軟機(jī)器人和人機(jī)界面中的新興應(yīng)用需要更復(fù)雜的附著力控制。具體來(lái)說(shuō)，電子皮膚的底層應(yīng)牢固地粘附在皮膚或器官表面等信號(hào)源上，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的信號(hào)收集，而上表面應(yīng)不具有粘性，以避免與衣物或外部物體偶然接觸造成的干擾。目前單方面粘附的方法依賴于不對(duì)稱的表面改性，例如用于梯度交聯(lián)的氧抑制聚合或等離子體處理的疏水上層。雖然這些方法實(shí)現(xiàn)了適度的粘附對(duì)比，但它們?cè)陂L(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械應(yīng)力下存在分層風(fēng)險(xiǎn)，需要復(fù)雜的多步驟制造。

差異粘附的構(gòu)建確實(shí)可以通過(guò)日常生活中容易觀察到的簡(jiǎn)單吸氣來(lái)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)值得注意的例子是中國(guó)年糕，這是中國(guó)新年慶?；顒?dòng)中的一種傳統(tǒng)美食。剛蒸熟的米餅在整個(gè)表面上表現(xiàn)出均勻的強(qiáng)粘附性。然而，在儲(chǔ)存過(guò)程中，上表面會(huì)經(jīng)歷脫水誘導(dǎo)的氫鍵網(wǎng)絡(luò)致密化。這種結(jié)構(gòu)重組使分子鏈通過(guò)增強(qiáng)氫鍵形成更緊湊的構(gòu)型，從而降低表面自由能并掩埋粘合官能團(tuán)。相比之下，由于與板的接觸受到限制，底面保持了很強(qiáng)的附著力，這可以防止類似的脫水，并保留了原始的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種固有的Janus粘附消除了后處理步驟，并確保了操作穩(wěn)定性。

此外，受控的干燥條件會(huì)導(dǎo)致米餅表面皺紋的形成，從而產(chǎn)生與人類皮膚紋理相似的形態(tài)特征。這種工程化的類皮膚紋理在電子皮膚技術(shù)中具有巨大的應(yīng)用潛力。例如，它們可以用作人體表面的保形涂層，以盡量減少與自然皮膚的視覺(jué)差異，同時(shí)保持傳感功能，從而實(shí)現(xiàn)美學(xué)集成和功能性能。這些紋理結(jié)構(gòu)也有望成為人形機(jī)器人表皮的候選者，增強(qiáng)機(jī)器人表面的仿生真實(shí)性。此外，模仿指紋特征的紋理模式可以提高機(jī)器人觸覺(jué)傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)保真度和反饋?lái)憫?yīng)性，特別是在基于接觸的傳感或精確操縱任務(wù)中。這些進(jìn)步共同促進(jìn)了仿生柔性傳感、人機(jī)界面和擬人機(jī)器人感知增強(qiáng)的發(fā)展。通常，年糕中具有高柔性的天然大分子鏈傾向于形成平坦致密的層，而不是明顯的皺紋。然而，這一現(xiàn)象為紋理工程提供了寶貴的啟示，因?yàn)橥ㄟ^(guò)引入剛性結(jié)構(gòu)組件來(lái)放大局部應(yīng)力不均勻性，可以促進(jìn)紋理結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作受中國(guó)傳統(tǒng)食品年糕的啟發(fā)，通過(guò)一鍋法制造了一種表面具有不對(duì)稱Janus粘附和紋理結(jié)構(gòu)的類皮膚生物水凝膠，并被評(píng)估為用于傳感和人機(jī)交互的電子皮膚。

2. e-skin是通過(guò)氫鍵和金屬配體配位構(gòu)建的，具有良好的韌性和拉伸性（抗拉強(qiáng)度為173 kPa，應(yīng)變?yōu)?593%）。e-skin的底面達(dá)到了66.7 kPa的粘附強(qiáng)度，上表面在不同的基材上沒(méi)有粘附，這確保了底部信號(hào)的穩(wěn)定收集，避免了與上側(cè)衣物或外部物體偶然接觸的干擾。

3. 皮膚模擬紋理是在干燥過(guò)程中產(chǎn)生的，這賦予了水凝膠與生物皮膚相當(dāng)?shù)囊曈X(jué)真實(shí)性；因此，它可用于人形機(jī)器人的疤痕覆蓋和皮膚封裝。

4. e-skin具有出色的生物相容性以及93.5%的高自愈效率，是為多用途實(shí)時(shí)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證的。

5. 它能夠基于EMG和EEG信號(hào)準(zhǔn)確識(shí)別手勢(shì)，實(shí)時(shí)控制輔助機(jī)器人手臂，突顯了其在下一代美學(xué)和功能性可穿戴電子產(chǎn)品中的潛力。

圖文解析

圖1. a） PPAlCxGy水凝膠的設(shè)計(jì)和制造示意圖。b）人體皮膚（上）和PPAlCxGy水凝膠（下）的表面顯微照片。c）PPAlCxGy水凝膠的FTIR光譜。d）PPAlCxGy水凝膠的整體和放大的橫截面形態(tài)。e）PPAlCxGy水凝膠薄膜的數(shù)碼照片，顯示其光學(xué)透明度。

圖2. PPAlCxGy水凝膠的粘附性能。a）沙子、紙巾和木屑在不對(duì)稱粘性水凝膠上的粘附行為示意圖。b）不對(duì)稱粘合劑PPAlCxGy水凝膠對(duì)填充有羅丹明b溶液的一次性塑料滴管的不同修復(fù)性能。c）PPAlCxGy水凝膠粘合表面和非粘合表面的XPS光譜：c 1s和O 1s以及Al 2p區(qū)域。d）附著力測(cè)試圖示。e）PPAlCxGy水凝膠在不同基材上的粘附強(qiáng)度。f）水凝膠和不同基質(zhì)之間可能的粘附機(jī)制示意圖。

圖3. a） PPAlCxGy水凝膠的變形。b）拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。c）自愈機(jī)制示意圖。d）原始水凝膠和自愈水凝膠的拉伸應(yīng)變-應(yīng)力曲線。e）G'和G“”的角頻率依賴性。f）PPAlC3G2和g）PPAlC5G0水凝膠L929細(xì)胞的活/死染色形態(tài)。L929細(xì)胞對(duì)h）PPAlC3G2和i）PPAlC5G0水凝膠的細(xì)胞存活率。

圖4. PPAlCxGy水凝膠的機(jī)電性能。a）響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。b）超過(guò)2000次加載和卸載循環(huán)的循環(huán)穩(wěn)定性試驗(yàn)。實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。c）手腕彎曲，d）頸部彎曲，e）肘部彎曲，f）膝蓋彎曲，g）腳踝彎曲，h）說(shuō)話，i）手指彎曲一定角度。

圖5. a） 輔助機(jī)械臂的控制圖。b）從不同手勢(shì)識(shí)別EMG信號(hào)。c）基于EEG信號(hào)的反饋控制系統(tǒng)，用于控制輔助機(jī)器人手臂。

來(lái)源：柔性傳感及器件