之江实验室/浙大陈梦晓、杨青/纳米能源所潘曹峰/NTU魏磊 AFM：仿生自愈合柔性电子

2023-02-11 来源：高分子科技

自问世以来，电子设备极大地改变了人们的日常生活方式。近来，电脑、手机等电子设备的发展正朝着小型化、柔性化方向发展。此外，随着人们对健康的重视、娱乐选择的多样化以及物联网技术的发展，可穿戴和柔性软电子产品受到广泛关注。软电子产品中的一个问题是物理损坏，例如外力造成的裂纹和长期使用造成的老化断裂。自愈合材料的出现为这个棘手的问题提供了解决方案。

受自然界的启发，自愈合材料可以在受到外部损伤后恢复其物理性能，最近已广泛用于电子设备中，以保护设备在运行过程中免受故障影响，提高耐用性。此外，自然界中各种生物自愈合材料为了适应其生存环境，往往还具有许多其他特性（图1）。以人体为例，人的皮肤作为最大的感觉器官，具有可伸展性和弹性，可以感知外部刺激。人的肌肉由排列的胶原纤维和层次分明的肌束组成，具有很高的机械强度，可以完成各种运动。神经元是神经系统的结构和功能单位之一，其空间轴突可以接触>1000个其他神经元，实现了强大的离子回路，进行信息传递。此外，具有自我修复能力的动物结构已经进化出更多适应其生存环境的特征。例如，贻贝是天然的粘合剂，可以将其柔软的身体附着在潮湿的表面上，变色龙可以根据环境改变颜色来保护自己，羽毛很轻，由于其级联滑锁结构可以实现自我修复，而美丽的水母有绿色荧光蛋白。所有这些迷人的特性都启发研究人员开发独特的自愈合材料。

图1 自然界中的自愈合生物种类

本文根据不同的生物种类和特性详细讨论了仿生自愈合柔性电子。首先，介绍了自愈合材料的愈合机理，包括封装愈合剂的外在方法和引入超分子相互作用或动态共价键的内部方法。随后介绍了自愈合柔性电子器件的工作原理，包括基于电介质和半导体的有机场效应晶体管，基于电子导体的摩擦电纳米发电机，以及基于离子导体的传感器。接着详细讨论了一些典型的生物启发的自愈合柔性电子器件的不同特性，如可伸展性、机械韧性、粘附性和结构颜色。此外，还总结和展望了自愈合柔性电子器件的独特性能、从薄膜到三维结构的大规模制备方法以及潜在的应用。该综述为开发适应不同应用场景的生物启发的自愈合柔性电子学提供了有力的参考。文章以《Bioinspired Self-healing Soft Electronics》为题，在线发表于《Advanced Functional Materials》。文章第一作者是之江实验室高级研究专员亓淼，浙江大学陈梦晓研究员、杨青教授，北京纳米能源与系统研究所潘曹峰教授，南洋理工大学魏磊教授为共同通讯作者，该研究得到了之江实验室科研启动项目经费和国家自然科学基金委经费支持。

1.自愈合机理

图2 自愈合机理示意图。a) 通过封装愈合剂进行愈合的外在方式。损坏后，微胶囊破裂并释放出愈合剂来愈合材料。b) 通过超分子化学或动态键进行愈合的内在方式。可逆的超分子相互作用或动态共价键交换使材料在损坏后重新拼接时得到修复。

2.柔性电子中的自愈合材料

图3 用于柔性电子的自愈合材料种类、机理和应用：a)绝缘体b)半导体c)电子导体d）离子导体。

3.人体启发的自愈合柔性电子

图4 皮肤启发的自愈合柔性电子。a)由超分子有机-无机复合材料构建的自愈电子皮肤的示意图。b) 串联有LED的电子皮肤在原始i)、受损ii)和愈合iii)状态下的照片。c)电子皮肤被用作压力传感器。d）富离子结构人体皮肤示意图。f) 附在手腕上的透明自愈合电子皮肤的照片。g)TENG。h)利用TENG接听电话。i) 皮肤启发的生物电子水凝胶电刺激下促进伤口愈合示意图。j) 伤口愈合情况对比。

图5 肌肉启发的自愈合柔性电子。a）人类肌肉结构示意图。b）PPBN-和PUN-水凝胶对应变的阻力变化。c) 水凝胶温度传感器的电阻随温度升高而变化。d) 肌肉启发的自修复弹性体的示意图。供体-受体自组装赋予了弹性体类似肌肉的韧性、热修复和自愈能力。e) 不同愈合时间的弹性体的应力-应变曲线。f) 弹性体的循环性能。g)标准和错误的羽毛球发球。h）不同发球方式中电容的变化。

图6 神经启发的自愈合柔性电子。a) 神经元启发的自愈合柔性电子器件的示意图。b) TPx的应力-应变曲线。c) 有缺口和无缺口的TP3样品的力-位移曲线。d）不同离子含量的离子水凝胶。e) i) 神经信号传输示意图。ii) 设计的可拉伸和自愈合人工神经纤维（SSANF）示意图。f）|V1/V0|。g）SSANF用于实时传输信号，以控制低温环境下的机器人手。

4.动物启发的自愈合柔性电子

图7 贻贝启发的自愈合柔性电子。a）贻贝启发的水凝胶的设计策略。b) 人类皮肤与水凝胶相互作用的示意图。c) 粘附在手套上的水凝胶的阻力随手指的弯曲角度而变化。d）贻贝启发的纳米酶催化的自支撑水凝胶示意图。

图8 a) 受变色龙启发的自愈合结构色膜示意图。b-d) 分别粘附在人类手指（b）、手腕（c）和肘部（d）的结构色膜，通过实时记录波长和阻力变化，被应用于人体运动监测。e) 变色龙启发的光子-离子皮肤示意图。f）不同应变下的光子-离子皮肤颜色变化。g) 不同应变下的反射光谱。h)相应的CIE色度图。i) 拉伸过程中的光子结构变化图。j) 用不同图案压制光子-离子皮肤时的电阻变化。k）用不同图案压制光子-离子皮肤时的照片。

图9 其他动物启发的自愈合柔性电子。a-d)水母启发的荧光水凝胶及其电致动效应。e）动物角膜上的泪膜启发的液体薄膜及其用作应变传感器示意图。f-h)基于鸽子羽毛的摩擦电纳米发电机。

5.总结与展望

对生物启发的自愈合柔性电子学的系统研究有望推动生命科学、有机合成、材料加工、设备制造、环境监测和人工智能方面的工作。它有希望改善电子设备的使用寿命，甚至提供新一代的电子器件。

图10 生物启发的自愈合柔性电子的特点、可能的制备方法和应用。a) 分别受人类皮肤、肌肉、贻贝和变色龙启发的自愈合柔性电子的可伸展性、机械韧性、粘附性和结构色。b) 大规模制造自愈合柔性电子材料的可能方法：薄膜的挤压成型，纤维的热拉丝技术，织物的编织，以及三维结构的3D打印。c) 生物启发的自愈合柔性电子的潜在应用：人体运动检测、摩擦电纳米发电机、环境传感器和智能材料识别。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202214479

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（责任编辑：xu）

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