【文献解读】东华大学：武培怡/孙胜童团队《Nat. Commun.》：自愈型纳米网络弹性材料增韧人工离子皮肤

稳健的传感材料非常适合未来的人机界面和软机器人技术，但很难实现，特别是对于需要将特性相互排斥的材料组合在一起的时候。这些特性包括导电性、拉伸性、柔软性、韧性、可愈合性和耐用性等。就长使用寿命的关键要求而言，材料不仅应在损坏时自行愈合，而且应在疲劳载荷期间抵抗裂纹扩展。

事实证明，在自愈性和抗疲劳性之间取得平衡对于可拉伸的纳米材料离子皮肤（人类皮肤类似物）是一项具有挑战性的任务。值得注意的是，大多数可自我修复的离子皮肤是通过在离子传导网络中加入动态共价或物理交联来产生的，这种链间动态设计基本上不会有助于抗疲劳断裂，因为聚合物链的低能量决定了在可重复载荷下易受影响而产生裂纹扩展。

相关报道引入溶胀的共价网络微球与线性网络进行可逆纠缠可以实现高抗疲劳性和自愈性，但由于嵌入式内在的柔软性，由此产生的机械强度相对较低。与此形成鲜明对比的是，人类皮肤很好地协调了可愈合性和抗疲劳性之间的平衡，这源于其富含离子和分层排列的纳米纤维可修复的结构，再由嵌入柔软的弹性基质做支架支撑。

这两个阶段不仅在伤口上真皮层纤维细胞的帮助下愈合，而且通过将裂纹尖端固定在纳米纤维上，赋予人体皮肤非常高的断裂韧性。因此，人体皮肤可以承受一定撕裂性以及可重复变形性，每年超过一百万次循环而不会疲劳。

图1 人类真实皮肤组织构造

图2 本文设计的纳米人工传感离子皮肤（一）

图3 本文设计的纳米人工传感离子皮肤（二）

图4 纳米人工传感离子皮肤拉伸性能展示

图5 纳米人工传感离子皮肤与真实人类皮肤特性对比

图6 不同技术方案的人工离子皮肤特性测试实验结果

以下就人工离子皮肤最为重要的一个特性，类似于人类真实皮肤的可自愈特性，做一个生动的形象展示。

如图7人工离子皮肤受到破坏，被切割后，通过电镜扫描可以清晰的看见被切割的痕迹，但是在过去了24h之后，神奇的一幕发生了，被切割的痕迹肉眼可见般的发生了明显的自愈，再经过冲洗离子基质后进一步发生了自愈，切割痕迹已经基本上消失。

图7 人工离子皮肤电镜扫描自愈过程

经过低场核磁共振技术测试，如图8所示，水在人工离子皮肤中均是以结合水的状态存在，很好的解释了人工离子皮肤的抗冻性能以及其他特性。

图8 人工离子皮肤弛豫测试结果

参考文献：

[1] Wang J,  Wu B,  Wei P, et al. Fatigue-free artificial ionic skin toughened by self-healable elastic nanomesh[J]. Nature Communications.