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导语
近年来，可拉伸离子皮肤作为超软触觉传感器实现了类似于人类的触觉感知，然而，离子皮肤在高级触觉传感应用中仍存在两方面的局限性：一是当离子皮肤被拉伸时，压力传感性能会发生不必要的改变，这大大增加了不同应变下压力定量测量的复杂性；二是大部分离子皮肤缺乏精细纹理识别能力，从而无法准确获取物体表面信息。通过模板法或图案化方式赋予离子皮肤以表面纹理结构，存在受到压力或拉伸时表面凹凸结构易被展平的缺点，从而信号传递受限、纹理识别能力减弱。如何同时赋予可拉伸离子皮肤触觉感知应变不敏感性和纹理识别能力，是制约高性能离子皮肤发展的瓶颈难题之一。
图1. 类指纹离子皮肤的仿生设计
（来源：Advanced Materials）
前沿科研成果
指纹皮肤是皮肤中最敏感的区域，其可拉伸的表面纹理结构有助于物体抓握和对物体纹理的感知。指纹的高灵敏性源于其具有软硬模量差异的周期性凹凸结构。在受到机械力刺激时，指纹皮肤外层镜像硬质脊突作为机械放大杠杆，将振动触觉信号传递给机械感受器；通过表面摩擦放大振动触觉信号，实现对接触物体纹理的精细辨别。指纹皮肤中的硬质脊突在皮肤被拉伸时不发生明显变形，保证了与目标物体的接触面积几乎不变，即指尖皮肤具有不受应变影响的触觉感知能力。
受指尖皮肤软-硬凹凸结构的启发，东华大学武培怡/孙胜童研究团队通过反应扩散介导的非平衡生长过程开发了一种高度可拉伸的类指纹离子皮肤，它具有嵌入在低模量水凝胶基质中的周期性硬质脊状突，在形貌上极其接近于真实的指纹皮肤。该类指纹离子皮肤的制备过程分为两步：通过反应扩散的方式在水凝胶基质中形成典型的Liesegang图案；对具有Liesegang图案的离子凝胶进行氟弹性体层的包裹。其中反应扩散过程介导了水凝胶中未反应单体的同步聚合行为，使得最终形成的图案化离子凝胶即便用酸洗去除图案，表面的凹凸结构依然保持下来。微力学压痕测试表明Liesegang图案具有软硬模量差异，这一特点使离子皮肤在拉伸过程中纹理高度不受影响，这是其在触觉传感性能上优于单一模量离子皮肤和具有软脊突的自褶皱离子皮肤的关键。
图2. 反应-扩散过程制备Liesegang离子水凝胶
（来源：Advanced Materials）
为测试该类指纹离子皮肤的触觉传感性能，作者采用PVDF-HFP-TFE三元共聚氟橡胶包裹水凝胶后作为单电极摩擦电触觉传感器。氟橡胶极低的电负性保证了高的电压输出信号，压力灵敏度达1.50 V/kPa，且在拉伸到50%应变时（人体皮肤的最大失效应变）显示出几乎不变的压力灵敏度。而作为对照组的具有软脊的自褶皱离子皮肤在拉伸50%应变时褶皱变平，从而导致压力灵敏度显著降低。
该离子凝胶表现出应变不敏感性的原理是：当一个表面足够大的物体（模拟手指触摸的目标物体）与具有Liesegang硬质脊突的离子皮肤反复接触和分离时，由于接触面积不变，在原始状态和拉伸状态下产生的电荷或电子通量几乎相同，压力灵敏度几乎不变。此外，该离子皮肤还对压力频率、接触物材质有灵敏响应。由于氟橡胶的保水性，避免了水凝胶的长时间脱水问题，因而作为触觉传感器具有长时间的电压输出稳定性。
图3. Liesegang离子皮肤的应变不敏感触觉传感
（来源：Advanced Materials）
此外，具有Liesegang图案的离子皮肤像人的手指一样具有分辨所接触物体的纹理特征的能力。为了测试离子皮肤的纹理识别能力，作者将传感器应用于不同粗糙度的标准砂纸，结果表明离子皮肤能很好地区分不同粗糙度的砂纸。进一步，将Liesegang图案的离子皮肤结合到机器手中抓取日常生活中的常见物体，并通过化学计量学——主成分分析（PCA）分析得到的电压信号，重复数据的紧密聚集表明Liesegang图案化离子皮肤对不同水果的归类识别，表现出出色的纹理识别能力。
图4. Liesegang离子皮肤的纹理识别
（来源：Advanced Materials）
当前发展的单一式传感信号输出模式会大大影响触觉传感器的保真度和预测能力，不能满足复杂动态环境下精确触觉感知的需求。为了模拟皮肤触觉感知系统的多模态感知能力，作者设计了一种人工耦合触觉传感器以同时检测动态和静态压力刺激：Liesegang图案离子皮肤利用摩擦电效应模拟皮肤的FA感受器，显示压力动态信号；聚硫辛酸离子凝胶通过压阻效应模拟皮肤的SA感受器，显示持久静压信号。在多种场景模拟测试中，该人工耦合触觉传感器在同时监测动态和静态压力刺激方面的显示出稳定性与高可靠性。
图5. 人工耦合触觉传感器的自适应多模态感知
（来源：Advanced Materials）
该工作近期以“Non-equilibrium-Growing Aesthetic Ionic Skin for Fingertip-Like Strain-Undisturbed Tactile Sensation and Texture Recognition”为题，发表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202300593）上。东华大学化学与化工学院博士研究生乔海燕为文章第一作者，孙胜童研究员和武培怡教授为论文共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金重大项目、国际（地区）合作与交流项目、面上项目等的资助与支持。
课题组简介
武培怡教授课题组致力于将先进光谱表征手段与功能高分子设计相结合，开发系列具有智能、功能及仿生特性的聚合物材料，并进一步应用于皮肤仿生、智能传感、响应致动、能源存储、污水处理等领域。课题组主页：www.peiyiwu.cn
教授简介
武培怡，东华大学化学与化工学院院长，教授，博士生导师。2004年获得国家杰出青年基金，英国皇家化学会会员。1985-1988年，获南京大学理学学士、硕士学位；1998年获德国ESSEN大学自然科学博士学位；1998-2000年，日本触媒研究中心从事研究工作；2000年至2017年，复旦大学高分子科学系教授；2017年起担任东华大学化学与化工学院教授、院长。已发表SCI收录论文370余篇，在Joule、Matter、Nat. Commun.、Science Adv.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv Mater.等期刊发表论文300余篇，论文他引超过15100次（H因子66）。主要研究领域为二维相关光谱在聚合物体系中的应用、智能仿生材料、储能材料、聚合物功能膜。
孙胜童，东华大学特聘研究员，博士生导师。2012年博士毕业于复旦大学高分子科学系，2013-2015年获德国洪堡基金会资助在德国康斯坦茨大学做博士后研究，师从生物矿化领域著名学者Helmut Cölfen教授。2017年7月加入东华大学先进低维材料中心。已于Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Nat. Commun.、Science Adv.等TOP期刊发表SCI论文70余篇，总引用4000余次。主要研究领域为面向自适应力学/电学的智能仿生聚合物材料、高性能纤维、二维相关光谱分析、仿生矿化。
关于人物与科研
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