【水凝胶】零下80℃自愈合离子凝胶用于人工神经纤维

MaterialsViews

研究背景

自愈合材料在仿生智能机器人（BIR）中表现出不可替代的优势，可以避免或减少使用过程中意外损坏造成的安全隐患和经济损失。然而，大部分自愈合材料的性能受到温度影响，在低温下变硬，变脆，甚至完全失效，使其应用止步于高纬度和严寒地区。

创新点

中科院纳米能源所李舟课题组通过利用锂离子的高水合能调节水凝胶材料在低温下的高分子链扩散能力和动态相互作用，制备了一种在超低温环境(-80℃)下具有稳定自愈合性能的多功能离子水凝胶(SSIH)。该离子水凝胶可实现在受损后10分钟内的快速自愈合、愈合后的材料可承受超过7000%以上的大变形，11.76 S/cm的稳定电导率和长达到13个月的综合性能稳定性。即使在-80℃的极端低温环境下，这些实用性能也能很好地保持。另外，作者通过模仿有髓轴突的结构和功能制造了一种人造神经纤维，具有快速和电位门控信号传输的特性。这种人造神经纤维被集成到机器人中，用于展示在大变形和低温下的实时高保真和高通量的信息交互。

文章解析

图1：SSIH的设计原理。(a) SSIH的设计过程以及自愈能力和超拉伸性的原理。(b) SSIH 中的动态相互作用。(c) 随着LiCl的增加，SSIH的抗冻能力和柔韧性更好。(d，e) 随着 LiCl 含量的增加，SSIH的断裂伸长率增加到原始长度的约 70 倍,抗拉强度呈下降趋势，电导率呈现增长趋势。

图2：SSIH 的自愈性能。(a) SSIH的自愈机制。(b) 用光学显微镜观察受损SSIHs的自愈过程, 5 min受损部位完全愈合，10 min受损部位完全消失。(c) 两片不同时间制备的 SSIH 的自愈性能。(d) SSIH在原始状态和不同愈合时间后(RT)的拉伸应力-应变曲线。插图是愈合5 min后拉伸状态下的愈合部位照片。(e) SSIHs在原始状态愈合30 min (不同低温下)后的拉伸应力-应变曲线。

图3：SSIH 的导电性能。(a~c) SSIH在30℃到-80℃/10℃的EIS图。(d)SSIH 的电阻随着温度的降低而增加。(e) SSIH的导电性表现出长时间稳定性，在-80℃空气中放置13个月后，电阻刚刚增加到440.9 ohm/cm。(f) SSIH在-68℃下的导电自愈能力。(g~h) 随着温度的降低，阻抗和相位角的平稳平台扩大并移至较低频率区域。

图4：SSANF 的设计原理和信息传输能力。(a) SSANF 的设计原则。(i)有髓轴突结构的图。神经信号以动作电位的形式沿着有髓轴突传播。 (ii) SSANF 结构图。电容模型中的电位信号传递过程。(c) |V1/V0| 随电压脉冲的频率和幅度而变化，并保持在 0.975 和 1.025 之间。在 100%、200% 和 300% 变形 (d) 下，输出端口 (e) 中记录的电压曲线。 (f) 在10000次拉伸至200%变形和恢复过程中，信号保持其初始形状和幅度。

图5：SSANF 在仿生智能机器人中的应用。(a)SSAF作为 BIR 的一个通信单元。(b)同步仿生机器人手系统的电路示意图，(c)其中 SSANF 用于传输实时集成信号。(d)干冰（-78.5℃）用于创造局部低温环境。(e) SSANF在200%变形和-78.5℃下的输入和输出信号。(f)SSANF 的能量输送能力和快速回复能力。

读后感

作者提出了可以在-80℃环境下保持稳定自愈合能力的多功能离子水凝胶。通过仿生的结构设计制备了在低温和大形变下具有稳定高保真和高通量的信息交互单元：人工神经纤维。该多功能离子水凝胶和仿生器件的提出使仿生智能机器人更接近模拟复杂的生物系统，使机器人在极端低温条件下完成无人任务成为可能。而柔性电子系统的损伤后恢复同样要求其他组分具备自愈合能力。如何将该导电自愈合水凝胶与其他自愈合组分整合及开发更精细化的凝胶图案化的制备方法是影响该材料后续应用的一大挑战。

WILEY

MaterialsViews

Wiley旗下材料科学类期刊官方微信平台

关注公众号和视频号

推送材料科研资讯｜访谈材料大咖新秀

分享撰稿投稿经验｜关注最新招聘信息

点击“分享”，给我们一点鼓励吧~

继续滑动看下一个