贺曦敏&牛文斌 ACS Nano：基于ICPHs的仿生变色离子皮肤对多种刺激具有快速的视觉感知能力

【背景介绍】

头足类生物的皮肤能将环境信息转化为生物电信号，并通过离子跨膜传输到神经系统，从而感知外部张力、触觉、温度等；同时，其通过皮肤的颜色变化可进一步主动感知复杂的环境，以进行交流、伪装等。模拟其离子电子学和颜色切换的双重信号响应行为，一方面离子电信号将提供精确的传感能力，另一方面，颜色变化可提供可视化的视觉信息，从而实现多功能传感、可视化动态显示等。因此，模拟头足类生物皮肤的离子传导和光子纳米结构的变色离子皮肤（CIskin），构建具有仿生变色离子电子皮肤意义重大

【成果简介】

近日，大连理工大学牛文斌教授和美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）贺曦敏助理教授（共同通讯作者）等人报道了他们通过模拟头足类动物皮肤的超微结构，开发出了一种具有光学和离子双信号同步输出的多功能仿生变色离子皮肤（CIskin）。其关键是利用表面带电的2D纳米材料在热致介电常数可调水凝胶中构建具有各向异性静电斥力的光子纳米结构。首先，通过质子化表面活性剂分子自组装成带正电的2D双分子层板状结构，模拟头足类皮肤的虹膜细胞中的反射板。然后，将其周期性地嵌入到化学交联的水凝胶基质中，形成各向异性液晶光子水凝胶，产生反射色。同时，在2D双分子层之间引入离子（Na⁺、Cl^-等），模拟皮肤的生物电信号种类。最后，作者构建了基于上述离子导电光子水凝胶（ICPHs）的仿生CIskin传感系统。这种设计保证了张力或应力能同步改变其离子导电性和晶格间距，从而产生离子信号和颜色的变化。更重要的是，在光子纳米结构中存在各向异性的静电斥力，可对热刺激进行瞬时几何变化。通过热诱导介电常数改变斥力，ICPHs的几何结构可以产生及时的各向异性变形，从红色到蓝色的颜色切换仅需0.1 s，可实时直观地监测不可见的温度刺激。此外，该仿生CIskin通过光热效应进一步显示出对红外光的双信号响应能力。总之，该设计策略拓展了柔性离子电子学在更高层次上的智能化应用，提供了一个简洁、多功能、交互式的传感平台，可以动态显示身体上的刺激信息。研究成果以题为“Cephalopod-Inspired Chromotropic Ionic Skinwith Rapid Visual Sensing Capabilities toMultiple Stimuli”发布在国际著名期刊ACS Nano上。

【图文解读】

图一、仿生CIskin的示意图
（a）基于离子传输的生物离子感官系统的示意图；

（b）具有光子纳米结构的快速变色头足类动物的图像；

（c）具有多功能视觉传感的仿生皮肤示意图。

图二、ICPH的制备
（a-b）原始和质子化C₁₂DMAO分子的结构式；

（c-d）由Material Studio模拟的C₁₂DMAO双层的示意图和厚度；

（e）用于形成水凝胶的可聚合单体DAAM和AAM；

（f）显示ICPH制备过程的示意图；

（g-h）具有不同交联剂含量的水凝胶的溶胀率和相应的反射光谱；

（i）在不同浓度NaCl溶液中浸泡后，水凝胶的离子电导率；

（j）在20 ℃下具有不同结构颜色的ICPH的照片。

图三、ICPH的力学、光学和电学性能
（a）用不同交联剂含量制备的ICPH应力-应变曲线；

（b）ICPH在100％单轴拉伸应变下的连续拉伸-释放曲线；

（c-f）拉伸期间，红色ICPH的颜色切换行为、依赖于拉伸应变的反射光谱、机理图和相对电阻变化图片；

（g-h）压缩过程中，红色ICPH的颜色变化照片和反射光谱；

（i-j）水凝胶被字母印章压缩的示意图，通过倾斜印章产生梯度压缩应变。沿着不同方向，由梯度压缩应变引起的结构色的梯度变化。

图四、ICPH的热响应机制和光电信号变化
（a）ICPH在不同温度下的反射光谱；

（b）从约10 ℃升温到约40 ℃时，水凝胶的反射光谱随时间的动态变化图；

（c）在10 kHz频率下，PDAAM-co-PAAM水凝胶基质的介电常数随温度变化；

（d）各向异性体积变化机理图和受静电排斥作用调节的热致变色示意图；

（e）在加热/冷却循环（20-40 ℃）期间，各向异性体积变化的示意图和静态显微镜图像；

（f）在不同温度下，ICPH的相对电阻变化；

（g）感知水滴（30 μL）温度的示意图和相应的相对电阻变化。

图五、仿生CIskin对机械力的传感行为
（a）离子感知系统的示意图和两个简化的等效电路；

（b）相对电阻和反射波长随应变的可逆变化；

（c）不同应变下的相对电阻变化；

（d）相对电阻信号从100％到0％的自恢复时间图；

（e）不同拉伸频率下相对电阻随时间的变化，拉伸应变为100%；

（f）在不同的拉伸/释放循环（100%应变）后样品的反射波长；

（g）反复拉伸/释放约为10000次时样品的相对电阻随时间的变化，频率约为1Hz，应变为75%；

（h）电容变化的机理示意图；

（i）相对电容和反射波长随压缩应力的可逆变化；

（j）在不同恒定压力下的电容信号变化；

（k）施加不同压力时，相对电容随时间的变化；

（l）在300次循环测试过程中，在约0.25 Hz的频率和1.7 kPa的压力下相对电容的变化。

图六、仿生CIskin在应变和触感中的应用
（a）监视食指关节运动的示意图；

（b-d）在逐步弯曲下，附着在手指上的仿生皮肤的反射光谱、照片和相应的相对电阻；

（e）实时相对电阻变化，可检测到低频（0.5 Hz）和高频（2 Hz）时手指的弯曲行为；

（f-g）不同压力下的触感和相对电容响应示意图。

图七、仿生CIskin在温度和红外光感测中的应用
（a-c）粘贴在假肢和人手上的仿生皮肤的照片和红外图像、反射光谱和相对电阻；

（d）该设备作为传感器单元，接触不同温度物体的示意图；

（e-f）接触不同温度的物体后，样品的结构色变化和相对电阻响应；

（g）对IR光响应的机理图；

（h）红外灯（0.3 w/mm²）照射2 s后，仿生皮肤的结构颜色和温度变化；

（i）在（h）中IR照射前后，样品的反射光谱；

（j）红外光去除后恢复过程中反射光谱的连续变化；

（k）红外光周期性照射的相对电阻响应。

【总结】

综上所述，作者成功地展示了一种基于具有各向异性静电排斥的多功能离子导电光子水凝胶（ICPHs）的仿生CIskin，其具有应变、触觉、温度和红外光四种感知能力。仿生CIskin能够在拉伸应变下产生快速、可逆的电阻信号变化和从红色到蓝色的连续颜色转换，准确记录假体和人体的关节运动，并通过实时颜色转换实现视觉量化。此外，仿生CIskin显示触觉的双重信号特性，实现了自我显示的压力空间分布。更重要的是，该仿生CIskin通过带正电荷双分子层之间的各向异性静电排斥机制，对热刺激具有超快的光学响应（0.1s），能够及时地视觉捕捉温度和红外光。总之，该工作为柔性离子电子学对多种刺激的可视化和智能交互提供了普遍的启示，使其在智能假肢、可穿戴柔性器件、人机界面等领域的应用得到更高层次的功能拓展。

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

通讯作者简介

贺曦敏是加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系的助理教授和加州纳米体系研究所（CNSI）的成员。她在剑桥大学获得博士学位并在哈佛大学进行博士后研究。她的主要研包括刺激响应性材料，仿生功能材料，化学和生物传感器，驱动器等，并将其应用于生物医药、环境、机器人和能源领域。她已经在Nature, Nature Chemistry, Science Robotics, Nature Nanotechnology, Science Advances等杂志发表了60余篇高水平论文、书籍和专利。她获得的荣誉包括美国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启发的功能材料，特别是刺激响应性水凝胶和智能材料用于化学和生物传感、软体机器人和能源领域。她关于自调制材料和化学-机械分子分离的研究获得了一系列地区和国际的奖励，并且受到了百余家新闻媒体报道。

课题组网页：http://www.seas.ucla.edu/xhe-lab/index.html

本文由CQR编译。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu.