《全天候”自愈合材料的超级电子皮肤问世》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2020-06-03
  • 天津大学张雷、杨静团队成功研发“全天候自愈合材料”。该材料性能在严寒、深海和强酸碱等极限条件下快速自愈合,有望成为机器人、深海探测器和极端条件下各类高科技设备的“超级电子皮肤”。相关成果已经在国际权威期刊《自然·通讯》发表。

    据介绍,自愈合材料采用先进的超分子技术合成。顾名思义,这类材料可以不借助外界能源,模仿人类皮肤组织进行自我修复,从而显著提高材料的使用寿命和安全性,因此在电子皮肤、海洋涂料、生物医药等领域具有广阔应用前景。长期以来,现有的自愈合材料一直在极地严寒、深海水下、强酸强碱等条件下表现不佳,如何在极端环境下快速自我修复成为自愈合材料难以逾越的技术瓶颈。

    天津大学张雷、杨静团队利用不同性质的亲水基团与双硫基团,成功合成了可在多种极端条件下快速自愈合的弹性体材料。团队充分利用了不同动态键的协同相互作用,使材料在不借助任何外界能源的条件下,能够同时实现高弹性、高拉伸性和快速修复损伤的功能。根据实验结果显示,这种新型自愈合材料在室温下可实现10分钟内快速愈合,愈合后可承受超过自身重量500倍的重物。在零下40摄氏度低温、过冷高浓度盐水下甚至在强酸强碱性环境中都表现出了高效的自愈合性能,堪称一种优异的“全天候”自愈合材料。

    “这种新型自愈合材料对海洋工程、极地、高空、工业废水处理等极端环境作业具有重要意义。”据张雷教授介绍,“下一步我们计划将材料应用于电子皮肤传感器,让极限环境下的机器人能够感知体表的压力、水流、温度等,为先进电子设备打造真正的‘智能皮肤’。”

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    • 编译者:冯瑞华
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    • 科幻电影《终结者2》中的液体金属杀手机器人拥有不死之身,每当身体遭受枪击时都能自动愈合。这种神奇自动愈合能力如今已不只存在于科幻世界中,日前,天津大学张雷、杨静团队研发的“全天候自愈合材料”,无须借助任何外界帮助,能在严寒、深海和强酸碱等极端条件下,实现全天候快速自愈合,有望成为机器人、深海探测器和极端条件下各类高科技设备的“超级电子皮肤”。相关成果发表在国际权威期刊《自然·通讯》上。   “磁力纽扣”设计实现自愈合   天津大学团队研发的“全天候自愈合材料”是一种超分子聚合物。它能模拟皮肤功能,具有高拉伸性,可以快速修复损伤。这种神奇的自动愈合功能是如何实现的呢?这就要归功于将多重动态键融入低玻璃化温度的聚合物主链这种超分子设计。   “多重动态键的协同相互作用,是我们此次研发‘全天候自愈合材料’开创性的构思。”青年教师杨静介绍,“动态键就像‘磁力纽扣’。一旦材料破损,破损面的‘磁力纽扣’被解开,但通过分子间的相互作用力,它们可以互相吸引,再重新扣到一起,从而达到自愈合的效果。”   “全天候自愈合材料”中的“磁力纽扣”可以反复多次实现断开和重连。根据实验结果显示,这种新型自愈合材料在室温下可实现10分钟内快速愈合,愈合后可承受超过自身重量500倍的重物。在零下40摄氏度低温、过冷高浓度盐水甚至在强酸强碱性环境中都表现出了高效的自愈合性能,实现24小时内自愈合。   无惧极寒、深海等极端条件   长期以来,现有的自愈合材料一直在极地严寒、深海水下、强酸强碱等环境下表现不佳,如何在极端条件下快速自我修复成为自愈合材料难以逾越的技术瓶颈。   张雷教授说:“低温、水下等极端环境会显著抑制材料自愈合的能力。因为低温下材料会变硬,从分子层面看,就是分子流动性减弱了,动态键也就无法随着分子链流动重连。而在水下环境,水分子进入破损界面,也会阻碍动态键的重连。”   “为了增强材料的自愈合能力,实现在各种条件下的自愈合,我们设计了多种类型的‘磁力纽扣’,也就是多重动态键,包括强氢键、弱氢键和双硫键,这样就能保证‘磁力纽扣’在任何极端条件下,都能重新自动扣上。”杨静说。   同时,张雷指出,他们采用的低玻璃化温度的聚合物主链,在低温下也能维持良好的微观流动性,这种聚合物也具有一定的疏水性,可以辅助极低温、过冷盐水等极端环境下“磁力纽扣”的重连。   可作为外星探测机器人的皮肤   “基于这些性能,自愈合材料的应用前景非常广阔,比如软体机器人等。当然最重要的应用就是打造‘电子皮肤’。”张雷介绍,由于自愈合材料具有很强的延展性,能拉伸140倍,因此可用于机器人肘关节、膝关节、指关节等部位的皮肤,满足各种情况的拉伸;同时,其自愈合功能对海洋工程、极地、高空、工业废水处理等极端环境作业具有重要意义。比如火星、月球探测机器人,在极端环境中作业,很容易出现破损,如果得不到及时修理,很可能影响机器人的功能。   “下一步我们计划将材料应用于电子皮肤传感器,让极限环境下的机器人能够感知体表的压力、水流、温度等,为先进电子设备打造真正的‘智能皮肤’。”张雷和杨静都对“全天候自愈合材料”的应用前景充满信心。
  • 《柔性电子皮肤可“自愈”》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2020-06-18
    • 以色列理工大学的研究人员开发出一种柔性高分子材料,它在遭受“伤害”(即刮擦、割伤或扭伤)时能够“自愈”。将其与传感器相结合,有望获得柔性具有自我修复能力的电子皮肤,未来可用于机器人、假肢和可穿戴设备上。   在霍斯山姆·哈伊克教授的指导下,穆罕默德·卡迪布博士在以色列理工大学沃尔夫逊化学工程学院成功地研发出弹性高分子材料或弹性体后,目前正在研究将先进传感器集成到弹性体的电子皮肤上。研究项目得到比尔和梅琳达·盖茨基金会的部分资助,相关研究成果分别发表在《先进功能材料》和《先进材料》杂志上。   以色列理工大学表示,经过数百万年的进化,哺乳动物的皮肤发展成为传感平台,一方面对环境刺激具有高度敏感性,另一方面对温度、盐度、拉伸和折叠等外界作用具有极大的抵抗力。目前,人们在大力研发类似动物皮肤特性的人造电子材料和设备,相信它们在柔性机器人和人机界面等领域拥有巨大应用潜力。   以色列理工大学表示,受人体皮肤生物修复过程的启发,卡迪布决定研发与人体皮肤类似的自我修复系统,即自我修复电子皮肤。他首先研发出弹性体,其被拉伸至原长度的11倍也不会断裂。此外,弹性体具有的独特特性包括在自来水、海水或不同酸性溶液中能够自愈。这让它有望通过改造用来制作防水的柔性动态电子设备,该设备在水中遭到机械损伤时能够自我修复并防止漏电。   随后,卡迪布开始利用弹性体开发电子皮肤,将选择性感应、防水、自我监控和自我修复等多种功能融入电子皮肤。利用电子皮肤组成的传感系统能够监控环境变量,例如压力、温度和酸度。同时,该系统包含能监视系统电子部件损坏的类神经元组件,以及让受损部位加速自我修复过程的其他组件。