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作为人体最大的器官，皮肤可以感知外部刺激并将其转换为生理信号以进行神经识别。随着人工智能、软机器人和可穿戴设备的不断发展，人造皮肤有望成为人机交互的重要媒介，引起了工业和学术界的广泛关注。水凝胶是一类先进的材料，其优异的生物相容性、光学透明性、自修复能力和可拉伸等特性，使其被广泛用于柔性电子产品和仿生设备中。然而，大多传统的基于水凝胶的人造皮肤不可避免地会在低温下失去其诸多性能，从而阻碍了其实际应用。因此，亟需开发在极端环境条件下仍能保持性能的新型水凝胶。近期，苏州大学严锋教授设计并合成了一种基于两性离子的PIL防冻水凝胶，可用于多种模式的人工皮肤。该水凝胶具有高达1050%的超强拉伸性及出色的自愈能力和高电导率，可以在一台设备中实现电容、电阻和摩擦电三种传感模式，并能在-20°C至60°C的宽温度范围下稳定运行。这种多模式传感器的进一步应用将为开发具有多功能性和适应性的刺激响应性人工皮肤提供一种新的研究方向。如图1所示，研究人员通过1-乙烯基-3-羧甲基-咪唑（ZIL）和丙烯酰胺（AAm）的自由基共聚制备PIL凝胶。先将AAm、ZIL和KCl溶解在去离子水中获得前体溶液；然后添加APS和TEMDA作为引发剂和催化剂，制得凝胶在室温下固化30分钟。水凝胶的厚度和形状可以通过模具控制，而且能够切成任何所需的大小和形状，并具有很高的透明度。图2、3显示将水凝胶切成所需的形状并置于-20℃的环境下，PAAm和PAAm/KCl水凝胶均迅速从透明变为不透明和易碎，而PIL凝胶则保持透明和柔性状态，表明PIL凝胶十分优异的防冻性能。随后，研究人员测试了PIL凝胶的机械性能。从图4可以看出当温度降低至-20时，PIL凝胶的G′仅略有上升，这表明PIL凝胶在低温下也具有稳定的弹性。图4、5拉伸性能测试可以看出在20℃时PIL凝胶的拉伸性能高达1050％，即使在-20℃的低温下仍高达900％。人体皮肤的基本特征是受损后的自主恢复。由于两性离子IL间的离子键和丙烯酰胺基团间的氢键可在聚合物侧链内形成可逆交联，因此该PIL凝胶具有自愈特性，图6显示了其自修复能力，将切割的PIL凝胶互相接触，即可在6小时内实现愈合。随后，研究人员将可商购的VHB胶带用作介电材料，并如图7所示将两片PIL凝胶夹在VHB中，由于VHB和PIL凝胶都是可自修复的，因此PIL皮肤表现出与人类皮肤类似的自修复能力。并可将PIL皮肤作为导体，当割成两片时，LED灯管立即熄灭；再将两块相互接触，LED随即恢复功能。表明该PIL皮肤具有优异的导电性和自修复能力。图8显示了研究人员基于PIL凝胶组成的平行板电容器。可通过电容变化检测压力大小，并显示在500个周期内恒定的电容信号变化，表明该PIL皮肤的稳定性。图8E示出了分别夹持木质球形、方形和金字塔形的机器人爪。电容信号随着接触面积的减小而增加。表明该水凝胶可由其优异的性能而广泛用于传感器领域。如图9所示，研究人员基于PIL凝胶制造了可以检测压力的单电极摩擦电纳米发生器。可在-20至60℃的温度范围保持电压稳定，表明其具有极强的稳定性。图9D显示了木质和铝制球在相同压力下的夹持过程，电压输出变化表明该机器人爪可以区分具有不同温度和表面粗糙度的材料。本篇文章中，研究人员基于合成的防冻PIL凝胶，制造了用于软机器人的多模态人造皮肤。并成功证明了一种用于人造皮肤的实用传感器，可在一台设备中将电容式感应、热敏电阻性能和摩擦电效应进行开创性地组合，表明该PIL皮肤具有在复杂情况下感应多个信号的能力。我们相信这项技术不仅为多模式传感器的进一步发展提出了一种新方法，而且有望推动下一代智能皮肤设备的发展！https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/mh/c9mh01688k#!divAbstract来源：高分子科学前沿
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