賀曦敏&牛文斌 ACS Nano：基于ICPHs的仿生變色離子皮膚對多種刺激具有快速的視覺感知能力

【背景介紹】

頭足類生物的皮膚能將環境信息轉化為生物電信號，并通過離子跨膜傳輸到神經系統，從而感知外部張力、觸覺、溫度等；同時，其通過皮膚的顏色變化可進一步主動感知復雜的環境，以進行交流、偽裝等。模擬其離子電子學和顏色切換的雙重信號響應行為，一方面離子電信號將提供精確的傳感能力，另一方面，顏色變化可提供可視化的視覺信息，從而實現多功能傳感、可視化動態顯示等。因此，模擬頭足類生物皮膚的離子傳導和光子納米結構的變色離子皮膚（CIskin），構建具有仿生變色離子電子皮膚意義重大

【成果簡介】

近日，大連理工大學牛文斌教授和美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）賀曦敏助理教授（共同通訊作者）等人報道了他們通過模擬頭足類動物皮膚的超微結構，開發出了一種具有光學和離子雙信號同步輸出的多功能仿生變色離子皮膚（CIskin）。其關鍵是利用表面帶電的2D納米材料在熱致介電常數可調水凝膠中構建具有各向異性靜電斥力的光子納米結構。首先，通過質子化表面活性劑分子自組裝成帶正電的2D雙分子層板狀結構，模擬頭足類皮膚的虹膜細胞中的反射板。然后，將其周期性地嵌入到化學交聯的水凝膠基質中，形成各向異性液晶光子水凝膠，產生反射色。同時，在2D雙分子層之間引入離子（Na⁺、Cl^-等），模擬皮膚的生物電信號種類。最后，作者構建了基于上述離子導電光子水凝膠（ICPHs）的仿生CIskin傳感系統。這種設計保證了張力或應力能同步改變其離子導電性和晶格間距，從而產生離子信號和顏色的變化。更重要的是，在光子納米結構中存在各向異性的靜電斥力，可對熱刺激進行瞬時幾何變化。通過熱誘導介電常數改變斥力，ICPHs的幾何結構可以產生及時的各向異性變形，從紅色到藍色的顏色切換僅需0.1 s，可實時直觀地監測不可見的溫度刺激。此外，該仿生CIskin通過光熱效應進一步顯示出對紅外光的雙信號響應能力。總之，該設計策略拓展了柔性離子電子學在更高層次上的智能化應用，提供了一個簡潔、多功能、交互式的傳感平臺，可以動態顯示身體上的刺激信息。研究成果以題為“Cephalopod-Inspired Chromotropic Ionic Skinwith Rapid Visual Sensing Capabilities toMultiple Stimuli”發布在國際著名期刊ACS Nano上。

【圖文解讀】

圖一、仿生CIskin的示意圖
（a）基于離子傳輸的生物離子感官系統的示意圖；

（b）具有光子納米結構的快速變色頭足類動物的圖像；

（c）具有多功能視覺傳感的仿生皮膚示意圖。

圖二、ICPH的制備
（a-b）原始和質子化C₁₂DMAO分子的結構式；

（c-d）由Material Studio模擬的C₁₂DMAO雙層的示意圖和厚度；

（e）用于形成水凝膠的可聚合單體DAAM和AAM；

（f）顯示ICPH制備過程的示意圖；

（g-h）具有不同交聯劑含量的水凝膠的溶脹率和相應的反射光譜；

（i）在不同濃度NaCl溶液中浸泡后，水凝膠的離子電導率；

（j）在20 ℃下具有不同結構顏色的ICPH的照片。

圖三、ICPH的力學、光學和電學性能
（a）用不同交聯劑含量制備的ICPH應力-應變曲線；

（b）ICPH在100％單軸拉伸應變下的連續拉伸-釋放曲線；

（c-f）拉伸期間，紅色ICPH的顏色切換行為、依賴于拉伸應變的反射光譜、機理圖和相對電阻變化圖片；

（g-h）壓縮過程中，紅色ICPH的顏色變化照片和反射光譜；

（i-j）水凝膠被字母印章壓縮的示意圖，通過傾斜印章產生梯度壓縮應變。沿著不同方向，由梯度壓縮應變引起的結構色的梯度變化。

圖四、ICPH的熱響應機制和光電信號變化
（a）ICPH在不同溫度下的反射光譜；

（b）從約10 ℃升溫到約40 ℃時，水凝膠的反射光譜隨時間的動態變化圖；

（c）在10 kHz頻率下，PDAAM-co-PAAM水凝膠基質的介電常數隨溫度變化；

（d）各向異性體積變化機理圖和受靜電排斥作用調節的熱致變色示意圖；

（e）在加熱/冷卻循環（20-40 ℃）期間，各向異性體積變化的示意圖和靜態顯微鏡圖像；

（f）在不同溫度下，ICPH的相對電阻變化；

（g）感知水滴（30 μL）溫度的示意圖和相應的相對電阻變化。

圖五、仿生CIskin對機械力的傳感行為
（a）離子感知系統的示意圖和兩個簡化的等效電路；

（b）相對電阻和反射波長隨應變的可逆變化；

（c）不同應變下的相對電阻變化；

（d）相對電阻信號從100％到0％的自恢復時間圖；

（e）不同拉伸頻率下相對電阻隨時間的變化，拉伸應變為100%；

（f）在不同的拉伸/釋放循環（100%應變）后樣品的反射波長；

（g）反復拉伸/釋放約為10000次時樣品的相對電阻隨時間的變化，頻率約為1Hz，應變為75%；

（h）電容變化的機理示意圖；

（i）相對電容和反射波長隨壓縮應力的可逆變化；

（j）在不同恒定壓力下的電容信號變化；

（k）施加不同壓力時，相對電容隨時間的變化；

（l）在300次循環測試過程中，在約0.25 Hz的頻率和1.7 kPa的壓力下相對電容的變化。

圖六、仿生CIskin在應變和觸感中的應用
（a）監視食指關節運動的示意圖；

（b-d）在逐步彎曲下，附著在手指上的仿生皮膚的反射光譜、照片和相應的相對電阻；

（e）實時相對電阻變化，可檢測到低頻（0.5 Hz）和高頻（2 Hz）時手指的彎曲行為；

（f-g）不同壓力下的觸感和相對電容響應示意圖。

圖七、仿生CIskin在溫度和紅外光感測中的應用
（a-c）粘貼在假肢和人手上的仿生皮膚的照片和紅外圖像、反射光譜和相對電阻；

（d）該設備作為傳感器單元，接觸不同溫度物體的示意圖；

（e-f）接觸不同溫度的物體后，樣品的結構色變化和相對電阻響應；

（g）對IR光響應的機理圖；

（h）紅外燈（0.3 w/mm²）照射2 s后，仿生皮膚的結構顏色和溫度變化；

（i）在（h）中IR照射前后，樣品的反射光譜；

（j）紅外光去除后恢復過程中反射光譜的連續變化；

（k）紅外光周期性照射的相對電阻響應。

【總結】

綜上所述，作者成功地展示了一種基于具有各向異性靜電排斥的多功能離子導電光子水凝膠（ICPHs）的仿生CIskin，其具有應變、觸覺、溫度和紅外光四種感知能力。仿生CIskin能夠在拉伸應變下產生快速、可逆的電阻信號變化和從紅色到藍色的連續顏色轉換，準確記錄假體和人體的關節運動，并通過實時顏色轉換實現視覺量化。此外，仿生CIskin顯示觸覺的雙重信號特性，實現了自我顯示的壓力空間分布。更重要的是，該仿生CIskin通過帶正電荷雙分子層之間的各向異性靜電排斥機制，對熱刺激具有超快的光學響應（0.1s），能夠及時地視覺捕捉溫度和紅外光。總之，該工作為柔性離子電子學對多種刺激的可視化和智能交互提供了普遍的啟示，使其在智能假肢、可穿戴柔性器件、人機界面等領域的應用得到更高層次的功能拓展。

文獻鏈接：Cephalopod-Inspired Chromotropic Ionic Skin with RapidVisual Sensing Capabilities to Multiple Stimuli. ACS Nano, 2021, DOI:10.1021/acsnano.1c00181.

通訊作者簡介

賀曦敏是加州大學洛杉磯分校材料科學與工程系的助理教授和加州納米體系研究所（CNSI）的成員。她在劍橋大學獲得博士學位并在哈佛大學進行博士后研究。她的主要研包括刺激響應性材料，仿生功能材料，化學和生物傳感器，驅動器等，并將其應用于生物醫藥、環境、機器人和能源領域。她已經在Nature, Nature Chemistry, Science Robotics, Nature Nanotechnology, Science Advances等雜志發表了60余篇高水平論文、書籍和專利。她獲得的榮譽包括美國CIFAR Azrieli Global Scholar, International Society of Bionic Engineering (ISBE) Outstanding Youth Award, National Science Foundation CAREER Award,? Air Force Office of Scientific Research Young Investigator Program (AFOSR YIP) Award， Hellman Fellows Award以及UCLA Faculty Career Development Award.她的主要研包括生物啟發的功能材料，特別是刺激響應性水凝膠和智能材料用于化學和生物傳感、軟體機器人和能源領域。她關于自調制材料和化學-機械分子分離的研究獲得了一系列地區和國際的獎勵，并且受到了百余家新聞媒體報道。

課題組網頁：http://www.seas.ucla.edu/xhe-lab/index.html

本文由CQR編譯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu.