生物皮膚如變色龍和章魚，能夠無(wú)縫集成光學(xué)與電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的環(huán)境交互，這為人工光子離子皮膚的研發(fā)提供了靈感。然而，現(xiàn)有的合成系統(tǒng)往往缺乏天然皮膚所具有的機(jī)械魯棒性、快速響應(yīng)能力以及雙模式傳感功能。盡管可拉伸離子凝膠因其類膚機(jī)械性能和優(yōu)異離子導(dǎo)電性成為理想平臺(tái)，但多數(shù)系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)單一模式信號(hào)輸出，難以滿足真實(shí)場(chǎng)景中多模態(tài)感知的需求。此外，光子水凝膠普遍存在強(qiáng)度低、響應(yīng)慢、結(jié)構(gòu)恢復(fù)延遲等問(wèn)題，限制了其在實(shí)時(shí)傳感和高頻檢測(cè)中的應(yīng)用。

近日，四川大學(xué)熊銳特聘研究員、吳曉東特聘研究員合作提出了一種生物啟發(fā)的光子離子皮膚，通過(guò)將纖維素納米晶體手性納米結(jié)構(gòu)與離子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)協(xié)同整合，實(shí)現(xiàn)了高性能的機(jī)械-光學(xué)-電耦合。該系統(tǒng)采用互穿雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將剛性CNC手性骨架嵌入柔性水凝膠基質(zhì)中，顯著提升了材料的強(qiáng)度、模量和韌性，分別達(dá)到原始水凝膠的2.8倍、2.6倍和7.4倍。同時(shí)，該材料具備近乎零滯后的優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性，并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力調(diào)控下的光子帶隙與離子電導(dǎo)率雙模式響應(yīng)。在機(jī)械變形下，材料顏色從可見光到近紅外范圍動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)電學(xué)性能也隨之改變。其超快響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間達(dá)到0.3/1.4毫秒，頻率響應(yīng)高達(dá)520赫茲，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)傳感材料。

研究團(tuán)隊(duì)以纖維素納米晶體為基礎(chǔ)構(gòu)建單元，通過(guò)真空輔助自組裝形成手性向列結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步與聚丙烯酰胺水凝膠網(wǎng)絡(luò)復(fù)合，最終通過(guò)離子液體置換賦予其導(dǎo)電性。圖1展示了該材料的仿生設(shè)計(jì)理念：變色龍皮膚通過(guò)顏色與神經(jīng)電信號(hào)響應(yīng)外界刺激，而PAM-CNC導(dǎo)電光子離子凝膠則通過(guò)拉伸誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)色變化實(shí)現(xiàn)類似的雙模信號(hào)輸出。圖2詳細(xì)呈現(xiàn)了材料的制備過(guò)程與結(jié)構(gòu)表征：CNC薄膜在溶脹過(guò)程中顏色逐漸紅移，經(jīng)聚合與離子液體置換后形成具有明顯螺旋排列結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電光子離子凝膠，其SEM、AFM與FT-IR結(jié)果均證實(shí)了手性結(jié)構(gòu)的保留與PAM/離子液體的成功復(fù)合。

圖1：光電雙模的仿生設(shè)計(jì) （a）變色龍皮膚感知環(huán)境刺激并將其轉(zhuǎn)化為顏色與神經(jīng)電信號(hào)的示意圖。 （b）PAM-CNC導(dǎo)電光子離子凝膠的制備流程及其在拉伸響應(yīng)中動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)色變化機(jī)制示意圖。

圖2：CNC-PAM導(dǎo)電光子離子凝膠的制備與結(jié)構(gòu)表征 （a）CNC薄膜照片；（b）CNC薄膜在溶脹過(guò)程中的顏色變化；（c）PAM-CNC水凝膠；（d）PAM-CNC導(dǎo)電光子離子凝膠；（e）反射光譜隨溶脹時(shí)間的變化；（f）反射波長(zhǎng)隨時(shí)間線性變化；（g）圓二色性信號(hào)；（h）CNC薄膜的SEM圖像；（i）PAM-CNC導(dǎo)電光子離子凝膠的SEM圖像；（j）CNC薄膜的AFM圖像；（k）PAM-CNC導(dǎo)電光子離子凝膠的AFM圖像；（l）CNC薄膜、PAM-CNC水凝膠與PAM-CNC導(dǎo)電光子離子凝膠的FT-IR光譜；（m）CNC薄膜與PAM-CNC導(dǎo)電光子離子凝膠的不同圖案展示。

在機(jī)械性能方面，如圖3所示，PAM-CNC導(dǎo)電光子離子凝膠展現(xiàn)出卓越的拉伸強(qiáng)度、模量與韌性，且在20%至80%的應(yīng)變范圍內(nèi)幾乎無(wú)滯后。經(jīng)過(guò)1000次循環(huán)拉伸與壓縮測(cè)試后，材料仍保持穩(wěn)定性能，穿刺強(qiáng)度亦顯著提升。這些性能歸因于CNC剛性骨架與PAM柔性基質(zhì)之間的協(xié)同作用，以及氫鍵與離子交聯(lián)的增強(qiáng)效應(yīng)。

圖3：PAM-CNC導(dǎo)電光子離子凝膠的機(jī)械性能 （a）應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）強(qiáng)度與楊氏模量；（c）韌性；（d）不同應(yīng)變下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（e）1000次循環(huán)后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（f）與現(xiàn)有光子皮膚滯后性能的對(duì)比；（g）1000次壓縮循環(huán)后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（h）穿刺強(qiáng)度及穿刺實(shí)驗(yàn)圖像；（i）材料在拉伸、扭曲、卷曲狀態(tài)下的光學(xué)圖像及SAXS圖像；（j）變溫FT-IR光譜；（k）同步2D-COS譜；（l）異步2D-COS譜。

圖4進(jìn)一步揭示了材料在拉伸與壓縮下的動(dòng)態(tài)光子行為：隨著應(yīng)變?cè)黾?，結(jié)構(gòu)色發(fā)生藍(lán)移，從透明逐漸變?yōu)榧t、藍(lán)色，反射峰波長(zhǎng)與應(yīng)力呈線性關(guān)系。偏振光學(xué)顯微鏡圖像證實(shí)了微觀尺度上的連續(xù)顏色演變。此外，材料在循環(huán)拉伸與壓縮中表現(xiàn)出完全可逆的顏色恢復(fù)，顯示出其在機(jī)械傳感中的可靠光學(xué)輸出能力。

圖4：PAM-CNC導(dǎo)電光子離子凝膠的光學(xué)表征 （a）不同拉伸應(yīng)變下的光學(xué)照片與偏光顯微鏡圖像；（b）應(yīng)變依賴的反射光譜演變；（c）不同壓力下的顏色變化；（d）CIE 1931色度坐標(biāo)軌跡；（e）壓力依賴的反射光譜演變；（f）反射峰波長(zhǎng)與應(yīng)變關(guān)系；（g）多次拉伸循環(huán)中的反射峰波長(zhǎng)；（h）多次壓縮循環(huán)中的反射峰波長(zhǎng)；（i）通過(guò)模板光輻射制備的PAM-CNC導(dǎo)電光子離子凝膠圖案及其光學(xué)圖像。

基于上述特性，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款無(wú)滯后離子凝膠壓力傳感器。如圖5所示，該傳感器采用微金字塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在0–10 kPa低壓范圍內(nèi)靈敏度達(dá)0.32 kPa?1，在10–80 kPa中壓范圍內(nèi)更是高達(dá)1035.17 kPa?1。其響應(yīng)與恢復(fù)時(shí)間分別為0.3毫秒和1.4毫秒，能夠準(zhǔn)確捕捉高達(dá)550赫茲的高頻振動(dòng)，遠(yuǎn)超未引入CNC手性結(jié)構(gòu)的對(duì)比傳感器。

圖5：HFI壓力傳感器的工作機(jī)制與傳感性能 （a）HFI傳感器結(jié)構(gòu)配置與轉(zhuǎn)換機(jī)制示意圖；（b）歸一化阻抗隨壓力變化曲線；（c）對(duì)0.03克紙片的響應(yīng)曲線；（d）不同壓力下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；（e）10,000次循環(huán)耐久性測(cè)試；（f）阻抗至電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)制；（g）HFI傳感器的響應(yīng)與恢復(fù)時(shí)間；（h）無(wú)滯后設(shè)計(jì)的對(duì)比傳感器響應(yīng)時(shí)間；（i）對(duì)比傳感器在高頻壓力下的響應(yīng)曲線；（j）HFI傳感器在150–550赫茲高頻范圍內(nèi)的響應(yīng)性能。

更令人矚目的是，該傳感器結(jié)合二維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種表面紋理的高精度識(shí)別。如圖6所示，研究選取了七類不同紋理樣本，通過(guò)滑動(dòng)傳感器采集信號(hào)，并利用短時(shí)傅里葉變換將信號(hào)轉(zhuǎn)為時(shí)頻圖輸入機(jī)器學(xué)習(xí)模型。最終，系統(tǒng)在測(cè)試中達(dá)到了97%的分類準(zhǔn)確率，展現(xiàn)出在復(fù)雜觸覺(jué)感知任務(wù)中的強(qiáng)大潛力。

圖6：HFI傳感器的表面紋理感知與識(shí)別 （a）基于2D-CNN機(jī)器學(xué)習(xí)模型的表面紋理識(shí)別流程示意圖；（b）七種不同紋理樣本照片及其響應(yīng)曲線；（c）信號(hào)處理方法與2D-CNN框架；（d）t-SNE可視化顯示不同紋理的分類；（e）訓(xùn)練精度與損失隨訓(xùn)練輪次的變化；（f）七種紋理分類的混淆矩陣，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)97%。

總之，這項(xiàng)研究通過(guò)將手性CNC納米結(jié)構(gòu)與PAM/離子液體網(wǎng)絡(luò)有機(jī)結(jié)合，成功開發(fā)出兼具機(jī)械韌性、光學(xué)動(dòng)態(tài)響應(yīng)與電學(xué)靈敏度的多功能光子離子皮膚。其超快響應(yīng)、高靈敏度和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，為下一代柔性電子設(shè)備、軟體機(jī)器人及智能人機(jī)交互系統(tǒng)提供了全新的材料平臺(tái)與技術(shù)支持。

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