本研究由曹毅教授(南京大學(xué)物理系)和王偉教授(南京大學(xué)物理系)牽頭。他們提出了一種稱為“SHARK”的單層水凝膠人造皮膚，它結(jié)合了高拉伸性、自愈特性和超靈敏機(jī)械傳感。
水凝膠已成為構(gòu)建類皮膚機(jī)械傳感器的有前途的材料?；谒z的人造皮膚的常見設(shè)計(jì)需要夾在兩個水凝膠層之間的電介質(zhì)用于電容傳感。然而，這種平面配置限制了靈敏度、拉伸性和自愈性能。水凝膠和彈性體層無與倫比的機(jī)械性能通常會導(dǎo)致在多次應(yīng)變循環(huán)下分層。實(shí)現(xiàn)水凝膠和彈性體層的同時自愈以完全恢復(fù)水凝膠人造皮膚的功能幾乎是不可能的。盡管取得了重大進(jìn)展，但實(shí)現(xiàn)高度可拉伸但可自我修復(fù)的基于水凝膠的機(jī)械傳感器需要新穎的設(shè)計(jì)理念。
在這項(xiàng)工作中，該團(tuán)隊(duì)報(bào)告了具有體電容結(jié)作為機(jī)械傳感器的單層復(fù)合水凝膠的第一個設(shè)計(jì)。他們設(shè)計(jì)了介電肽包被的石墨烯(PCG)作為水凝膠中均勻分散的雙電層。整個系統(tǒng)可以看作是由多個微電容器串并聯(lián)形成的大容量電容器結(jié)。因此，SHARK 具有更大的等效雙電層面積，因此比平面形狀的水凝膠傳感器具有更高的靈敏度。任何影響水凝膠中 PCG 微觀分布的機(jī)械運(yùn)動都會顯著改變整體電容。“微電容器分散在 SHARK 的凝膠基質(zhì)中，形成類似于人體皮膚的分布式但相互連接的機(jī)械傳感器”，易說。
SHARK 的機(jī)械和電氣性能也值得推薦。由于水凝膠網(wǎng)絡(luò)和石墨烯之間強(qiáng)大而動態(tài)的界面相互作用，水凝膠人造皮膚可以拉伸至其原始長度的 77 倍，并在不到一分鐘的時間內(nèi)完全自我修復(fù)其機(jī)械和電性能。它們具有高靈敏度，應(yīng)變傳感的應(yīng)變系數(shù)為 1.39，可以有效地傳感空氣和水環(huán)境中的應(yīng)變和壓力。此外，它們是可重構(gòu)和可打印的，使得構(gòu)建基于 SHARK 的傳感器芯片變得方便。
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