精准复刻人体真实皮肤——东华大学团队打造超高耐疲劳的人工离子皮肤 | 科技导报

东华大学武培怡-孙胜童研究团队研发出一种具有极高耐疲劳性能且可进行自修复的新型离子皮肤材料，该设计在实现超高疲劳阈值的同时，兼具透明、柔软、应变硬化、高拉伸、自粘附等多种优异性质。

像真实人体皮肤一样耐疲劳且能够进行自我修复的坚韧离子感知材料对于延长柔性电子器件及机器人的使用寿命至关重要。然而，无定形聚合物链易断裂且会发生裂纹扩展，从而导致现有基于动态网络重构的自修复人工离子皮肤普遍存在疲劳阈值低、韧性低、抗拉伸强度较差等问题。

因此，使离子皮肤同时具备自愈能力和高耐疲劳韧性是高性能可拉伸离子感知器件发展中必须解决的瓶颈问题。

针对这一问题，东华大学武培怡-孙胜童研究团队设计出了一种具有极高耐疲劳性能且可进行自修复的新型离子皮肤材料，其设计思路是：通过对真实皮肤中二元复合结构（胶原纤维增强弹力蛋白基质）的模拟，将高模量、可自修复聚氨酯纳米纤维网络嵌入另一自修复低模量离子导电基质中进行增韧。相关论文发表在Nature Communications上，东华大学教授武培怡老师，特聘研究员孙胜童为通讯作者。

该设计在实现超高疲劳阈值（2950 J m-2）的同时，兼具透明、柔软、应变硬化、高拉伸、自粘附等多种优异性质。此外，纳米纤维网络拉伸会挤压吸湿性离子导电基质，迫使其脱水造成离子电导率下降，从而导致该材料应变传感灵敏度达到了创纪录的66.8。

这一理念为设计更能模拟天然皮肤，更具备其无可比拟的组合特性的耐用离子传导材料提供了思路，进一步推动可拉伸离子感知器件的高性能化。

这一复合离子皮肤得以研发成功采用了哪些理论及技术手段？其应用前景如何？《科技导报》新媒体就此专访了武培怡、孙胜童。

您可否简要介绍下复合离子皮肤这一科研成果？

孙胜童：目前离子皮肤材料普遍存在自修复与耐疲劳性能难以兼顾的结构性设计矛盾，而这两种性能对提高离子皮肤的使用寿命均至关重要。通过学习真实皮肤的二元复合结构（胶原纤维增强弹力蛋白基质），我们提出了这样的解决方案，即将一种高模量且可自修复的聚氨酯纳米纤维网络嵌入另一自修复低模量离子导电基质中，分别用来模拟人体皮肤内可修复的刚性胶原纤维和柔性弹力蛋白网络，从而制备了一种具有极高耐疲劳性能（疲劳阈值~2950 J m-2）的新型自修复离子皮肤材料。

此外，这一材料兼具透明、柔软、应变硬化、高拉伸、自粘附等多种优异性质，综合性能可媲美真实皮肤。

它最大的意义和价值是什么？

孙胜童：这一工作可为开发更加坚韧耐用的离子皮肤材料提供新的设计思路，进一步推动可拉伸离子感知器件的高性能化。

图 无疲劳自愈纳米纤维增韧离子皮肤的设计（来源：Nature Communications）

团队展开这一研究的初衷是什么？用时多久完成？

武培怡：随着人工智能和软体机器人领域的迅猛发展，研究人员目前正在尝试给软体机器人覆盖一层“人造皮肤”，以复制人类皮肤的所有力学和感知特性，从而使它们也能感知不断变化的外部环境。离子导体具有与人体皮肤相似的三维网络结构、低模量以及相似的离子传导机制，在模拟真实皮肤的可拉伸感知以及人机界面方面具有显著的优势。

然而，基于柔性高分子网络设计出的离子导体耐受极限力学和裂纹扩展的性能普遍较差，与真实皮肤的高力学耐受性形成了鲜明对比。如何克服离子导体材料的低力学耐受性成为制约离子皮肤材料进一步高性能化的关键难题之一。

这一研究从思路设计、实验论证、机理解析到最终论文撰写和发表用了大概两年时间完成。

您能否简要介绍下人造皮肤的研究现状，它主要涵盖几种类型？

孙胜童：根据载流子的种类，可将模仿皮肤感知功能的人造皮肤材料分为电子皮肤（电子导电）或者离子皮肤（离子导电）。同时赋予人造皮肤良好的导电性和可拉伸性是这类材料设计的关键。

每种人造皮肤的主要技术路线是什么？它们的优劣势分别是什么？

孙胜童：目前主要有两种设计手段：

一是将刚性导电材料（如金属、碳基材料、导电聚合物等）进行褶皱、波纹或图案化设计以赋予它们拉伸性，这一方法虽然电导率较高，但工艺较为复杂，拉伸率较低，并且与基底复合时往往存在一定的界面剥离问题。

二是将导电纳米填料或离子与弹性体网络进行复合，可得到本征可拉伸的电子或离子皮肤材料。这一方法虽然牺牲了部分电导率，但制备简便、拉伸比大、柔顺性好，逐渐成为人造皮肤材料的研究重点。

其中，本征可拉伸离子皮肤材料仅通过复合离子导电介质与弹性网络来实现，相比于电子皮肤更容易实现高透明度和大范围的力学性能调节，且具有与人体皮肤相匹配的模量与离子导电机制，在模拟皮肤性能方面更具优势。

与上述人造皮肤技术路径相比，您的团队的研发思路发生的最大调整是什么？

孙胜童：传统离子皮肤材料主要关注自修复、可拉伸和离子感知功能，其分子设计多基于结构较为均一的柔性高分子网络。这一设计往往导致材料在循环往复拉伸时极易发生裂纹扩展从而疲劳失效。

我们试图打破这一传统的设计思路，将自修复纳米纤维与自修复离子导电基质复合制备非均质离子皮肤材料，在保有自修复、可拉伸和离子感知功能的前提下，大幅提升离子皮肤的耐疲劳性能。这一设计在一定程度上模拟了真实皮肤的二元复合结构，同时具有仿生学上的重要意义。

自然皮肤包含多种特性，例如全方位感觉、自愈合和应变硬化等等，您认为哪些属性的复刻难度最大？为什么？

孙胜童：复制皮肤全方位感觉的难度最大。因为皮肤含有多种触觉和温度感受器，从而具有全模态的感知能力，不仅可分辨刺激部位、类型、力度，还可区分动态振动与静态压力刺激。目前人造皮肤只能对少数刺激具备分辨能力，在区分刺激位点和解耦刺激种类方面仍存在诸多不足。如何全方位复制皮肤的力学和感知功能将是未来人造皮肤材料的研究重点。

据了解，以往的材料学家创建的离子皮肤只能再现人类皮肤的部分属性，团队此次的研发成果是否实现了对人类皮肤所有属性的复刻？如果没有，哪些属性还没有实现？

孙胜童：人体皮肤是一个高度复杂的集成系统，复制其所有属性是极具挑战的一项工作。我们的工作在以往研究的基础上，进一步改善了人造皮肤的疲劳耐受性和感知灵敏度，但与真实皮肤的优异综合力学和感知性能仍存在较大的差距。

例如，人体皮肤在遭受较小应变时即可发生应变硬化以抵御进一步破坏，而我们的材料只有在大变形时才会发生应变硬化行为。此外，皮肤在多变环境中均具有稳定的感知能力，而我们的材料易受环境湿度影响，在低湿环境下，材料的弹性和感知能力都会遭受部分损失。

团队研发的这种人造皮肤的应用前景如何？预计何时能实现规模化生产？

孙胜童：这一人造皮肤性能优异且制备过程较为简便，我们预计在软体机器人、人体应变传感器和生理信号采集方面具有一定的应用潜力。这一材料目前仍处于实验室的基础研究阶段，由于缺乏生产成本方面的核算数据，尚无法准确评估其未来大规模商业化应用的前景。

关于此次的研发成果，您认为是否需要进一步优化？

孙胜童：这一工作中，我们使用了吸湿性水凝胶作为离子导电基质，这导致离子皮肤材料的环境稳定性相对较差。在相对干燥的环境条件下，离子导电基质会因失水而变硬，复合离子皮肤的自修复能力也较难实现。

您可否谈谈团队下一阶段的研究计划与目标是什么？

武培怡：为克服目前离子皮肤环境稳定性差的不足，我们团队目前正致力于开发可耐受多种极端环境的耐疲劳离子皮肤材料。我们期望，新开发的离子皮肤材料能够在恶劣条件（如高低温、水下、真空、腐蚀性介质）下可靠地工作。

这一研究对离子皮肤在软体机器人领域的应用至关重要，因为软体机器人有望在比人类居住环境更为复杂多变的工况下工作，对离子皮肤材料环境耐受性的要求更高。

参考文献：

Wang, J., Wu, B., Wei, P. et al. Fatigue-free artificial ionic skin toughened by self-healable elastic nanomesh. Nat Commun 13, 4411 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32140-3

学者简介

武培怡（左），教授，东华大学化学与化工学院院长，国家杰出青年基金获得者(2004)，英国皇家化学会会员，主要致力于二维相关光谱、智能仿生材料、聚合物功能膜等领域的研究。在 Joule、Nat.Commun.、Adv.Mater.等杂志发表论文300余篇，被引18000余次。

孙胜童（右），东华大学特聘研究员，研究兴趣主要集中在智能仿生聚合物、可拉伸电子与二维相关光谱分析。迄今以第一/通讯作者在Sci.Adv., Nat. Commun.等期刊发表学术论文57篇。主持国家自然科学基金重大项目课题、面上项目等。

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