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  智能仿生皮膚因其巨大的應用潛力而引起了人們的廣泛關注，近年來，以離子和電子作為信號傳輸載體的各種仿生皮膚發(fā)展非常迅速。尤其是以水凝膠為基體的柔性導電材料更為人們青睞，但是基于凝膠態(tài)的仿生皮膚一直存在綜合性能不高和感知功能不足的問題。

圖1 仿生多孔結構水凝膠制備的機理圖

  鑒于此，天津大學封偉教授團隊從海綿生物的結構獲得靈感，提出設計了一種仿生多孔結構的導電水凝膠。這種水凝膠的制備主要源于鎵基液態(tài)金屬的化學活性。如圖1所示，以丙烯酸作為反應單體，鎵基液態(tài)金屬一方面能夠催化過硫酸銨產生自由基誘導丙烯酸的聚合，同時在丙烯酸電離出的氫離子作用下，也能催化氧化石墨烯還原，進而構成電子導電網(wǎng)絡；此外，鎵與氫離子還能反應產生氫氣和鎵離子，產生的鎵離子又能與聚丙烯酸絡合成超分子水凝膠網(wǎng)絡，進而將氫氣泡束縛在水凝膠內部，最終形成多孔結構的水凝膠。這種多孔水凝膠展現(xiàn)出可調節(jié)的孔結構，適宜的機械性能和優(yōu)秀的自修復性能，在用作柔性傳感器時，對多重刺激均能實現(xiàn)高感知，如對應力應變的高靈敏度、對溫度變化、溶劑改變的顯著響應，特別是源自水凝膠獨特的可控閉孔結構實現(xiàn)了對真空（大氣負壓）的響應。

圖2 多孔水凝膠的制備及基本性能表征

（a）多孔水凝膠的制備示意圖；（b，c）拉曼光譜驗證水凝膠中GO的還原,及嵌入在水凝膠內部的導電Ga/GO雜化填料；（d）光學顯微鏡展示不同組分水凝膠樣品的多孔結構；（e）不同LM含量和反應溫度對水凝膠孔隙率的影響；（f, g）部分水凝膠樣品的拉伸和壓縮性能。

圖3 多孔水凝膠的自修復性能

（a）自修復樣品的拉伸彎曲展示；（b）光學顯微鏡觀察裂縫的修復情況；（c）不同修復時間下樣品的拉伸性能；（d）樣品用于電路中的修復展示；（e）機械性能和電性能的自修復效率；（g）自修復機理。

圖4 多孔水凝膠用作應力應變傳感器

（a, b）水凝膠對拉伸應變的電阻響應；（c）不同模式（電容式、電阻式）下的壓力敏感性；（d）不同溫度制備的水凝膠用作電容式壓力傳感器時的應力響應。

圖5 多孔水凝膠的其它刺激響應

（a, b）水凝膠樣品對大氣負壓的電學響應；（c, d）水凝膠樣品對溶劑變化的電學響應；（e, f）水凝膠樣品對溫度變化的電學響應

  該研究的意義在于利用液態(tài)金屬的化學活性構筑了兼具自修復功能的多孔水凝膠，在其應用于柔性電子中時展現(xiàn)出多重感知功能。這種可控孔結構水凝膠的設計及應用為柔性仿生皮膚的研究提供了新視角。

  近日相關研究工作以“Liquid metal-created macroporous composite hydrogels with self-healing ability and multiple sensations as artificial flexible sensors” 為題在線發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上（DOI: 10.1039/d0ta09730f），并被邀請作為背封面。論文的第一作者為天津大學材料學院博士研究生張志興，通訊作者為天津大學材料學院封偉教授。

  該工作得到國家自然科學基金重點項目（No. 51633007）等項目的資助。

  全文鏈接：https://doi.org/10.1039/D0TA09730F