受木蛙啟發，瑞士3D打印出自修復長壽命電子皮膚
2025年6月16日，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）研究團隊在《Communications Materials》發表研究，展示了一種可3D打印的自修復多感官電子皮膚（e-skin）。材料受木蛙皮膚低共熔溶劑（DES）化學啟發，通過雙網絡顆粒有機凝膠（DNGOG）結構，實現了機械變形、溫度、濕度等多刺激的選擇性檢測，同時具備優異的自修復能力與環境適應性。
仿生設計破解傳統電子皮膚痛點
傳統電子皮膚多基于水凝膠或離子凝膠，雖具備傳感功能，但存在兩大核心缺陷：無法區分不同刺激類型（如溫度變化與機械壓力），且在干燥、低溫環境中易失效。自然界中，木蛙通過分泌膽堿衍生物與葡萄糖形成低共熔溶劑，在零下溫度下防止細胞凍結。受此啟發，研究團隊將甘油與膽堿 chloride 組成的低共熔溶劑引入有機凝膠，構建了由聚丙烯酰胺（PAAm）網絡連接的聚丙烯酰胺磺酸鹽（PAMPS）微凝膠顆粒結構。
這種雙網絡顆粒有機凝膠材料展現出獨特優勢：
多感官選擇性檢測：通過離子電導率變化響應機械應變（應變系數0.22）、溫度（-20°C至50°C范圍內穩定）和濕度（相對濕度20%-80%敏感），并利用長短期記憶（LSTM）神經網絡實現刺激分類，準確率達98%； 自修復與環境魯棒性：受損后10秒內可恢復97%的楊氏模量，在室溫下儲存14天仍保持性能穩定，且抗凍、抗干燥能力顯著優于傳統水凝膠； 3D打印適配性：利用直接墨水書寫（DIW）技術，可打印復雜3D結構如手指套、機器人外殼，厚度控制精度高，且打印后機械性能與模塑材料相當。
材料性能與技術突破細節
機械性能與自修復機制
DNGOG的楊氏模量為0.13 MPa，拉伸斷裂應變達510%。其自修復能力源于DES中甘油羥基與膽堿 chloride 銨基形成的強氫鍵網絡：當材料受損時，斷裂面的DES分子通過氫鍵快速重排，使材料在25°C、相對濕度40%條件下接觸10秒即可完成修復。實驗顯示，即使在-20°C低溫下，修復效率仍可達95%。
導電與傳感性能
DES的離子導電性使DNGOG具備靈敏的電學響應：室溫下電阻率低至0.24 Ω·cm，且電阻變化與溫度、濕度、應變呈線性關系。值得注意的是，DNGOG的顆粒結構使其電阻率比傳統塊狀有機凝膠低3倍——微凝膠間隙的無聚合物區域加速了離子擴散，這一結構設計為高性能傳感提供了基礎。
機器學習賦能精準刺激分類
研究團隊通過機器人手臂模擬觸覺事件，采集DNGOG在單一刺激（壓力/溫度）及復合刺激（壓力+溫度）下的電阻變化數據，輸入LSTM神經網絡訓練。結果顯示，2D薄膜傳感器分類準確率達98%，而3D打印的凹形可穿戴設備因應力分布更復雜，經模型優化后分類準確率提升至100%，證明了該技術在實際應用中的可靠性。
從實驗室到產業：可穿戴與機器人領域的潛在應用
這項研究首次將自修復、抗凍抗干燥、3D打印性與多模態傳感集成于單一材料體系。演示案例中，研究人員打印了貼合手指的可穿戴傳感套，其不僅能監測關節運動（應變分辨率0.01%），還能感知環境溫度變化（最小檢測0.02°C）。
對于產業應用，論文作者指出：“這種電子皮膚在軟機器人抓握力控制、假肢觸覺反饋、醫療設備生理信號監測等領域具有廣闊前景。特別是其在極端溫度下的穩定性，可滿足航空航天、極地科考等特殊場景需求。” 目前，團隊已實現材料量產工藝優化，并計劃與醫療設備廠商合作，開發用于傷口愈合監測的智能繃帶。這一突破為仿生電子材料的實用化邁出了關鍵一步，或將重新定義下一代可穿戴技術的性能標準。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s43246-025-00839-7
(責任編輯：admin)
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