一、研究背景

       随着软体机器人、人机交互和可穿戴电子设备的兴起，可以模拟人类皮肤触觉功能的“电子皮肤”引起了很多研究者的关注。尽管在电子皮肤表现出优异的传感性能和可拉伸性，构成了设备的巨大进步，但是这些设备与生物系统之间的紧密通信带来了技术挑战。这是因为生物信号传导是由离子，而不是电子。因此，作为电子皮肤的替代品和必要的补充设备，离子皮肤产生了。但是，绝大多数的方法都是将离子液体（ILs）与聚合物简单共混，这会使得ILs在与它相容性不好的聚合物中析出，影响离子皮肤的灵敏度和耐用性。因此，人们希望提高聚合物与ILs的相容性，进一步提高灵敏特性。同时也希望能够赋予离子皮肤自修复的性能，以提高它的使用寿命。

二、文章简介

       中国科学院宁波材料技术与工程研究所朱锦团队合成了一种基于离子传导，且模量接近于人体真实皮肤的新型聚氨酯，离子型聚氨酯（i-PU）。随后模仿人细胞膜中通道蛋白（Piezo-2蛋白）（图1），将该聚氨酯作为电容型压力传感器的基底材料，制备了离子皮肤（I-Skin-i），在穿戴式健康监测设备方面展现了巨大的应用潜质。

图1. Piezo2 蛋白的工作原理和离子皮肤I-Skin-i的工作机制。

       相关研究工作发表在Advanced Functional Materials 上。中科院宁波材料所的博士生陈超为第一作者，应邬彬副研究员、张若愚研究员和朱锦研究员为通讯作者。

三、研究内容

1、聚氨酯的自愈合性能评估

        i-PU的自愈合性能主要和链段中的离子键有关。它依靠阴阳离子间的静电作用进行自修复（图2a）。我们将所合成的的i-PU（厚度为300μm）放在偏光显微镜的热台上，在中间用刀划穿，观察自愈合情况（图2b）。与此同时，我们还使用激光共聚焦显微镜观察了纵向缺口的恢复情况（图2c）。随着时间的增加，缺口的颜色逐渐变淡；3D图中显示，缺口深度也在逐渐减小。这表明i-PU正在自愈合。过了400min后，缺口的颜色已经完全看不见，只剩下一个灰色的小点。3D图中显示，此时缺口的深度接近0。这表明i-PU已成功自愈合。我们可以算出不同组分的i-PU在不同温度下的自愈合速度，并总结在图2d中。从中可以发现，在同一温度下，自愈合速度随硬段含量的增加而减慢；对于同一种i-PU而言，随着温度的升高，自愈合速度增快。这是因为自修复取决于含有离子键的硬段的动力学。随后，我们通过拉伸测试判断i-PU的自愈合效果，其机械性能的恢复情况如图2e所示。机械性能随着时间的推移而逐渐恢复，在25 ℃下自愈400 min后，并可以恢复到原来的97.5%。

图2. 离子型聚氨酯的自愈合性能。

2、离子型聚氨酯与离子液体间的相容性

        图3a的离子液体（ILs）接触角表明了离子型聚氨酯（i-PU）和ILs间的相容性较好，并且不会随着时间的延长而发生变化。图3b的分子模拟证实i-PU与ILs间的结合能强于ILs与没有离子键的聚氨酯（c-PU）间的结合能。图3c则展示了i-PU与ILs共混后，阴阳离子在按压前后在聚氨酯表面的浓度变化，表明，复合膜具有可逆的离子迁移性，面对外界压力时能够有效形成双电层。

图3. 离子型聚氨酯与离子液体间的相容性。

图4. I-Skin-i的传感性能。

图5. I-Skin-i与其他传感器的对比。

图6. I-Skin-i的实际应用。

3、离子皮肤的传感性能评估

         以i-PU为基底制备的离子皮肤I-Skin-i的结构如图4a所示。可以发现，I-Skin-i的灵敏度高达52.4 kPa-1，响应时间为32ms（图4b和图4c），并且能够检测到在压力较小时灵敏度最高，可以检测到一百多mg甚至只有几十mg的物体（图4d）。此外，如图4e所示，给I-Skin-i不断施加-释放-施加不同的压力，循环1000次后电容仍能保持恒定，表明了其具有不错的抗疲劳能力。与之前的文献相比较而言，I-Skin-i的综合性能比较优秀（图5）。随后，将I-Skin-i贴在运动员的身体各处，可以实时监测她的运动情况（图6），说明I-Skin-i具有较大的应用前景。

四、总结与展望

       综上所述，将离子键引入聚氨酯链段可以有效的解决离子液体渗漏和无法自修复的问题。以该离子型聚氨酯为基底材料制备的离子皮肤具有非常出色的综合性能，具有广阔的应用前景。

五、致谢

      感谢国家自然科学基金（51773218、52003278）、浙江省自然科学基金（LQ19E030005）、浙江省重点研发计划（2018C03G3220872）和中国科学院青年创新促进会（2018338）对本工作的支持。感谢科匠文化在科研制图上的帮助。特别感谢郁哲博士在器件在文章思路、器件设计方面给予的帮助。