在眾多科研工作者的砥礪下，各類電子皮膚應(yīng)運(yùn)而生，為可穿戴設(shè)備、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域打開一扇新的大門。在電子皮膚中，碳納米管（CNTs）是常見(jiàn)的導(dǎo)電材料，遺憾的是，大多數(shù)整合CNTs的電子皮膚缺少數(shù)據(jù)可視化功能，需要借助外連的設(shè)備才能顯示和處理信號(hào)，使得電子皮膚的發(fā)展受到阻礙。因此，南京大學(xué)鼓樓醫(yī)院趙遠(yuǎn)錦教授團(tuán)隊(duì)模擬變色龍皮膚（圖1），提出一種基于羥丙基纖維素復(fù)合水凝膠的電子皮膚（E-皮膚），它具有穩(wěn)定的膽甾型液晶結(jié)構(gòu)和明亮的結(jié)構(gòu)顏色；通過(guò)具有多重響應(yīng)能力的復(fù)合水凝膠作為主要構(gòu)成要素，E-皮膚可以對(duì)溫度、壓力和張力做出響應(yīng)，并通過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化引起顏色改變。相關(guān)成果以“Bioinspired conductive cellulose liquid-crystal hydrogels as multifunctional electrical skins”為題發(fā)表于《PNAS》雜志
變色水凝膠的制備與表征
變色龍通過(guò)控制周期性鳥嘌呤納米晶陣（periodic guanine nanocrystal arrays）改變其皮膚顏色。因此，文章利用羥丙基纖維素（HPC）、聚（丙烯酰胺-丙烯酸）（PACA）以及碳納米管（CNT）構(gòu)建用于電子皮膚的纖維素水凝膠：將CNT與HPC分批分散于PACA水凝膠的前驅(qū)體溶液，在黑暗中便可自組裝成纖維素納米晶體，經(jīng)紫外線聚合，便可得到顏色鮮艷的復(fù)合水凝膠。
由于HPC分子間相互排斥作用力，HPC層可進(jìn)行各項(xiàng)異性有序排列，形成周期性排列納米結(jié)構(gòu)（溶致膽甾相）：HPC分子排列成層，兩個(gè)相鄰分子層的排列方向略有旋轉(zhuǎn)（圖2B/C），并周期性地堆積成螺旋結(jié)構(gòu)（圖2A）；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，凝膠顏色與螺旋螺距（p）相關(guān)，因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)HPC濃度制備不同顏色的凝膠，例如：當(dāng)HPC濃度從50wt%到70wt%時(shí)，凝膠的顏色從紅色變?yōu)樽仙?，歸因?yàn)閜的減?。▓D2D），該水凝膠為電子皮膚提供視覺(jué)交互作用，這是目前大多數(shù)材料所缺乏的。
電子皮膚的熱傳感測(cè)試
PACA的熱響應(yīng)效應(yīng)使得凝膠對(duì)于溫度較為敏感，并且因PACA支架的彈性，因此賦予材料可逆恢復(fù)的能力，例如：當(dāng)環(huán)境溫度上升，由于凝膠的膨脹，螺旋螺距增加，視覺(jué)偏向紅色；當(dāng)溫度恢復(fù)后，顏色也隨之恢復(fù)。圖3B所示，分別含有50、60和68 wt%HPC濃度的電子皮膚隨溫度的上升顏色逐漸紅移；同時(shí)，通過(guò)循環(huán)實(shí)驗(yàn)證實(shí)該電子皮膚具有顏色與電阻變化的可逆性（圖3D/E）。結(jié)果表明，該電子皮膚具有溫度感知功能，并且在多次溫度循環(huán)后仍能保持較好的熱敏性。
電子皮膚的壓力/張力傳感測(cè)試
除了對(duì)溫度做出響應(yīng)外，該電子皮膚可對(duì)壓力和張力等機(jī)械力做出響應(yīng)：在力的作用下，凝膠內(nèi)部的納米結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使得顏色和電導(dǎo)率發(fā)生改變。通過(guò)按壓或者拉伸電子皮膚表面，受力區(qū)域出現(xiàn)明顯的視覺(jué)藍(lán)色偏移；撤出力后，顏色也隨之恢復(fù)（圖4A/B）。
多功能電子皮膚在人體手指上的應(yīng)用
為進(jìn)一步探討該電子皮膚的應(yīng)用價(jià)值，將其貼于手指上進(jìn)行測(cè)試，記錄在不同刺激下的實(shí)時(shí)信號(hào)。圖5A所示，分別進(jìn)行3種操作：反復(fù)接觸冰袋、用鑷子提供壓力以及手指的彎曲提供變化張力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，受刺激部位的顏色發(fā)生明顯的變化；此外通過(guò)記錄的電信號(hào)表明，材料的電阻也隨之發(fā)生精準(zhǔn)的變化。
結(jié)論
趙遠(yuǎn)錦教授團(tuán)隊(duì)提出一種基于HPC、PACA和CNT的復(fù)合導(dǎo)電纖維素水凝膠的多功能電子皮膚，不僅可以通過(guò)顏色變化直觀反饋外界刺激，也可以通過(guò)電阻定量的變化進(jìn)行反饋。雙信號(hào)傳感能力使得導(dǎo)電纖維素納米復(fù)合水凝膠有望為多功能柔性電子皮膚的設(shè)計(jì)和制備開啟新的篇章。
