陈涛/王中林院士《先进材料》压敏粘合自愈人机交互触摸板水凝胶

【科研成果】

开发下一代触摸板的兴趣日益浓厚，这些触摸板需要可拉伸性和生物相容性，以使其与人体整合，甚至模仿自我修复行为，并在损坏时快速恢复功能。但是，大多数触摸板都是基于硬而脆的电极开发的，缺乏自愈的重要性质。最近，中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈涛和中国科学院北京纳米能源与系统研究所优青潘曹峰/王中林院士开发了聚两性离子-粘土纳米复合水凝胶作为一种柔软，可拉伸和透明的离子导体，具有98.8％的透射率和超过1500％的断裂应变，可用作自黏附的自修复人机交互触摸板，采用表面电容触摸系统来感测触摸位置。在逐点触摸和连续移动过程中都可以感觉到手指的位置。水凝胶触摸板粘附到弯曲或平坦的绝缘体上，通过绘画，书写和玩电子游戏展示了高分辨率和可自修复的输入功能。相关论文Bioinspired Self‐Healing Human–Machine Interactive Touch Pad with Pressure‐Sensitive Adhesiveness on Targeted Substrates发表在11月《Advanced Materials》上

【图文解析】

一维水凝胶触摸条的结构如图1a所示。条带的两端连接到铜电极和外部电阻（Re），然后连接到相同的交流（AC）电源。通过两个相同的Re将相同相位的交流电压（17 kHz，±0.6 V）施加到带的两端。 由于电极和电解质中的电荷是分开的，因此在电极/水凝胶界面中会形成双层电容量（CEDL）。当手指触摸时，在手指/水凝胶界面上会形成耦合电容（Cfinger），从而使电流通过人体流到手指和地面。水凝胶条是虚拟电阻（Rh），用手指分为两部分，每一部分的电阻值与其标准化长度成正比，即图1a中的x和1-x。

图1 自愈和粘性两性离子-粘土纳米复合水凝胶的位置感应。

水凝胶网络由剥落的纳米粘土通过可逆吸附（图1b）与交联的聚两性离子组成，而移动的Na+离子则来自纳米粘土作为电流载体。 然后，聚合物链进一步扩散，直到跨界面发生相邻纳米粘土的桥接（图1c），这导致了愈合效率的提高。

为了提供舒适的触感并避免水蒸发，作者在水凝胶上覆盖了100μm厚的聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜。随着PDMS的存在，Cfinger仍然存在，并且水凝胶条仍显示出手指的定位能力。为了实现无缝的PDMS-水凝胶粘合，在PDMS表面合成了水凝胶。 简而言之，将PDMS膜固定在玻璃模具的内表面上，然后注入水凝胶前体，然后进行聚合。膜与水凝胶的无缝接触以及水凝胶中的极性基团确保了PDMS与水凝胶的稳定粘附。通过搭接剪切和90°剥离试验，PDMS-水凝胶粘附力的剪切强度和界面韧性分别为3.9 kPa和73 J m-2。在剥离PDMS的过程中，通过粘附力将水凝胶从桌子上抬起。 从重量-时间曲线和干燥器中样品随时间变化的尺寸变化可以看出，PDMS覆盖的水凝胶的失水率明显低于裸露的水凝胶，这表明水凝胶表面覆盖的PDMS可有效延迟水凝胶的蒸发 。

透明水凝胶可拉伸至超过1500％的应变（图2a，b），断裂应力为88 kPa（图2b），并且在400–800 nm的波长范围内显示出98.8％的平均透射率（图2c）。PDMS的骨折点为696％±121％。在PDMS覆盖的水凝胶的拉伸测试过程中，PDMS首先以580–721％的应变断裂（图2b），然后水凝胶稳定地伸长直到断裂。PDMS覆盖了一个和两个表面的水凝胶的平均透射率分别为98.6％和98.2％。覆盖PDMS的水凝胶即使在折叠，滚动，扭曲然后展开后（图2d），或在应变为500％（图2e）时，也具有很高的透明度。高拉伸性和透明度使水凝胶和PDMS覆盖的水凝胶适合用作柔软的触摸板。

图2 水凝胶和PDMS覆盖的水凝胶的可拉伸性和透明度。

水凝胶是对各种固体表面的压敏粘合剂。该文内相关视频还显示了水凝胶片粘附在平坦或弯曲的绝缘基材上，包括滤纸，玻璃，丁腈橡胶，木材，棉织物，聚对苯二甲酸乙二酯（PET），丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS），VHB胶带，硅橡胶，尼龙，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），聚苯乙烯（PS）和聚乙烯（PE）通过贴合和轻压而制成。粘附的水凝胶片支撑其重量而不是向下爬行（图3a）。通过搭接剪切（图3b）和90°剥离（图3c）测试评估了水凝胶与基材的粘合性能，并总结了这些水凝胶的剪切强度和界面韧性 –基材附着力（图3d）。

图3 水凝胶的压敏粘合力

水凝胶的机械性能和电导率可自我修复。通过延长在PE密封膜中的储存时间，可将接缝后水凝胶的拉伸性能逐渐恢复（图4a）。切割后立即加入，可以将水凝胶拉伸至323％的应变和7.2 kPa的应力。 在25°C愈合24小时后，水凝胶的最大拉伸应变为1492％，应力为63.5 kPa，接近于未破裂的水凝胶，就断裂应变而言，其修复效率为98％。 图4b显示了两个新切割的部分在连接后立即无缝整合在一起，然后进行拉伸。瞬时愈合可重建水凝胶中的离子通道，从而恢复电导率。如图4c所示，切割后接缝的水凝胶中的直流电在21 s内恢复。

图4 一维触摸条的自我修复和操作。

自愈后，水凝胶的手指定位功能也会恢复。作者以大约恒定的速度将手指从x = 0移至PDMS覆盖的水凝胶触摸条上（图4d）。记录的峰值V1电压随时间连续线性下降。当切割同一条带然后将其连接时，在其上移动手指仍会导致峰值V1电压连续且线性变化（图4e）。在剪切然后加入之前和之后，都使用触摸板来演奏钢琴游戏。条带自粘到尼龙棒上。触摸水凝胶后面标记的音符位置，播放一首著名的歌曲，叮当铃（见原文视频）。播放时，会记录产生的触摸电压，并由计算机同步转换为相应的视频和音频信号。接下来，切下条形，然后将切割面连接在一起（图4f）。通过播放同一首歌曲，已治愈的音乐带恢复了其输入功能（图4g）。

为了验证这种机制，我们沿着2D水凝胶触摸板的对角线逐点触摸了17个点（图5a），并按时间记录了V1，V2，V3和V4电压。图5b显示了这些触摸点的峰值电压（U1，U2，U3和U4）。当手指远离电压表时，相应的峰值触摸电压会降低。

图5 手指位置和2D触摸板的操作。

基于聚合物水凝胶触摸板的2D位置，作者进行了进一步的实验，以将触摸板用作可穿戴输入设备。 VHB 4910胶带被用作水凝胶与人体之间的绝缘垫片。覆盖PDMS的水凝胶粘附在胶带表面上。然后，将金属线插入到胶带-水凝胶界面的四个角，并将水凝胶连接到计算机（图6a）。作者将触摸板戴在手臂上，并曾经玩过著名的电子游戏愤怒的小鸟。触摸板共形地粘附在手臂上（图6b），这得益于VHB胶带，水凝胶和PDMS的柔软功能。当手指触摸触摸板上的任何位置时，将激活游戏中的弹弓（图6b）。一只小鸟携带的弹弓通过在触摸板上移动手指而拉长并拉紧（图6c）。在手指移动过程中，计算机记录了手指的位置，并计算了移动长度，将其转换为弹弓的拉长长度。当手指移开时，小鸟被向上发射（图6d），然后击中目标（图6e）

图6可穿戴触摸板的操作。

参考文献：

doi.org/10.1002/adma.202004290

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