为了模仿生物皮肤的特性，人们已经开发了各种人造皮肤，包括电子皮肤和离子皮肤（I-skins）。I-skins在可穿戴智能设备和软机器人领域展现出巨大的潜力，因为它具有复制生物皮肤的离子传导机制、具有高光学透明度和可定制的机械性能等固有优势。目前，由聚合物网络和离子液体(ILs)组成的离子凝胶被认为是最有前途的候选材料之一。然而，大多数离子凝胶在连续拉伸-释放循环中表现出明显的滞后和机械强度下降，不利于需要动态机械负载的可穿戴传感。因此，非常需要开发具有同步输出电和光信号的弹性离子凝胶I-skins。
团队牛文斌教授团队受变色龙皮肤的启发，构建了一种新颖的仿生变色光子离子皮肤（PI-skin）。通过调整光子晶体（PC）的晶格间距，PI-skin表现出与电同步响应的敏感结构色变化（机械变色灵敏度：1.89 nm/%，Δλ>150 nm）。多两性离子网络提供了丰富的静电相互作用，赋予PI-skin优异的附着力、环境耐受性和出色的机械稳定性（>10000次连续循环）。同时，IL的高负载量削弱了多两性离子分子链之间的静电相互作用，导致高弹性。最终将PI-skin应用于构建视觉交互的可穿戴设备，实现了精确的人体运动监测、远程通信和压力分布的视觉定位。该研究以题为“Biomimetic Chromotropic Photonic-Ionic Skin with Robust Resilience, Adhesion, and Stability”发表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上。
【仿生PI-SKIN的设计和制造】
三步法制备仿生PI-skin。先将两性离子单体SBMA、交联剂和光引发剂溶解在离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺([EMIM][DCA])中，得到无色透明前驱体，第一次光聚合制备单层离子凝胶。随后通过压印将预组装的237 nm的PS@SiO2微球PC模板转移到单层离子凝胶上。最后用前驱体填充有序微球阵列，第二次光聚合制备具有夹层结构的PI-skin。微球被PSBMA共价交联网络锁定，反射波长峰值从560变为634 nm。离子凝胶和PS@SiO2微球之间的非共价相互作用能进一步牢固地固定微球，这可能是避免微球在拉伸过程中与聚合物基质分离的关键，从而赋予PI-SKIN机械变色特性。
图1：仿生变色PI-SKIN示意图
图2：仿生皮肤的制备与表征
【仿生皮肤的力学电学性能】
通过调整交联剂的比例和IL的质量分数，获得了一系列具有不同机械性能的PI-skins。增加交联剂的用量会导致更高的致密度和交联密度，提高拉伸断裂应力并降低拉伸性。随着IL含量从51%增加到71%，由于IL的增塑剂作用，拉伸强度和杨氏模量分别从120到21 kPa和从30到8 kPa下降；机械滞后显着降低，表明PI-skin的弹性更高。连续十个循环的拉伸曲线显示出可忽略不计的疲劳损伤和应力下降，这表明具有出色的抗疲劳性和完全可逆的行为。同时，PSBMA多两性离子网络中的磺酸基和铵阳离子丰富了非共价相互作用，使PI-skin对各种基材具有优异的粘合性能，这对于柔性可穿戴设备具有很高的价值。
图3：PI-skin的力学性能
随着IL含量从51%增加到71%，PI-skin离子电导率从≈0.29增加到≈0.81 S m–1。由于高机械弹性，PI-skin表现出一系列可逆且稳定的电信号，具有快速响应时间（≈270 ms）和恢复时间（≈250 ms），可以检测不同频率的应变并输出与频率无关的电信号，证明了应变传感性能的可靠性和实用性。由于共价交联网络的稳定性，在至少10000次拉伸-释放循环中，相对电阻变化基本相同，仅显示出轻微的零点偏移，表现出PI-skin在长期使用中的卓越耐用性。
图4：PI-SKIN的电学性能
【交互式仿生PI-SKIN】
仿生PI-skin被固定在手指、手腕和肘部以监测人体关节的运动。电信号由数字电桥监测，光信号由光纤光谱仪和肉眼捕获。随着手指弯曲，PI-SKIN被拉伸，结构颜色的随即同步变化。小弯曲（≈30°）和大弯曲（≈60°）产生≈37％和≈75％的相对电阻变化，使结构颜色分别由红色显着变为黄色和绿色，表明PI-skin可胜任识别不同程度的手指弯曲。证明了仿生PI-skin在智能交互方面的独特优势。
图5：交互式仿生PI-SKIN
【小结】
综上所述，该研究通过利用三维PC与PSBMA多两性离子凝胶网络的协同作用，构建了一种新型仿生PI-skin，能够在应变下输出协同的电和光信号，具有强大的附着力、稳定性和高弹性。PI-skin通过调节晶格间距显示出敏感的电阻变化和同步的结构颜色变化，展示了先进的视觉交互传感能力。PI-skin对各种基材具有优异的粘附性，展现出低机械滞后和高弹性。这种PI-skin可被用作视觉交互式可穿戴设备，用于关节运动监测，并用于实现远程通信和压力分布的直观视觉定位。