同济大学邱军教授团队Angew：通过仿生结构设计实现了复合材料智能感知与电磁隐身一体化

电子皮肤具有人体皮肤特有的感知功能，能使装备获得灵敏感知能力，为人机共处提供安全保障，为人机协作提供交互手段。隐身是人类长期以来的梦想，无论在学术界、产业界还是国防领域都有着非常广阔的应用前景。如何兼容智能感知和隐身功能，使装备能够对外感知的同时无法被外界感知，以适应复杂多变的运行环境和任务需求是一个巨大的挑战。

针对这一挑战，材料科学与工程学院邱军教授团队设计了一种类珊瑚状多尺度复合材料，通过仿生结构设计实现智能感知和隐身功能的兼容。这一目标的实现得益于材料独特的泡沫结构以及微纳组分的协同作用，这些元素的电磁耦合效应大幅增强了对太赫兹波的吸收与衰减能力，同时通过低红外发射率成分和低热导率结构的设计实现了红外波的隐身功能。更为重要的是，当复合材料受到不同应变刺激时，内部的导电网络结构会发生相应变化产生不同的电信号，赋予其智能感知功能。因此，智能感知、太赫兹隐身、红外隐身三种功能在一种复合材料上实现了兼容（图1）。这项研究以“Coral-Inspired Terahertz–Infrared Bi-Stealth Electronic Skin”为题，在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上发表。

图1、基于天然珊瑚的智能感知和电磁隐身一体化复合材料的仿生机理

智能感知和电磁隐身一体化复合材料的灵感来自于天然珊瑚的功能。当海水经过珊瑚消化循环腔时，其中的钙和二氧化碳被珊瑚触手吸收。复合材料吸收电磁波作用类似于珊瑚这种吸收海水中营养物质的行为，当电磁波进入材料内部，通过多重反射和散射、极化损耗、传导损耗和磁损耗以及1/4波长共振机制被吸收掉。该复合材料在太赫兹波段显示出高达84.8 dB的最大反射损耗值，有效吸波带宽覆盖0.2-2.0 THz频段。热红外图像的结果显示，该复合材料与商用隔热材料相比表现出更低的表面温度，且随着时间的增加温度基本不变，具有稳定的热屏蔽能力。将材料置于掌心，观察到其与环境颜色相近，表明在红外辐射下不可见。在不同供电电压下，材料还能像“变温龙”一样快速调整自身温度，达到动态红外隐身的效果（图2）。

图2、复合材料的太赫兹、红外波谱段隐身性能及其自适应性

当珊瑚触手感知到微小的外部刺激时，会通过扩散的神经系统传递刺激信号。这种智能感知和电磁隐身一体化复合材料的电子皮肤功能类似于珊瑚触手，其受到外部刺激时，通过传输电路传递电信号生成用于决策的信息。即使对该复合材料进行多次压缩-释放，电流信号的变化都基本保持稳定，并且能准确地检测到压缩速度的快慢，表现出高重复性和高灵敏度。同时，其可作为皮肤传感器，通过感应人体运动并将触觉信息转换为电信号，为健康监测提供解决方案（图3）。

图3、复合材料在不同运动程度下的感知性能

这项研究工作在复合材料自我感知能力、自我防护能力和适时应变能力方面取得了重要进展，为装备自主感知和智能电磁防护开辟了新方向。研究也为未来可穿戴设备、智能装备、健康监测等领域的研发提供了理论支撑和实验基础。

同济大学材料科学与工程学院博士生李尚婙为论文的第一作者，同济大学材料科学与工程学院邱军教授、杜江副教授、南开大学化学学院刘遵峰教授为论文的共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202406177