受木蛙啟發(fā)，瑞士3D打印出自修復長壽命電子皮膚

2025年6月16日，南極熊獲悉，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）研究團隊在《Communications Materials》發(fā)表研究，展示了一種可3D打印的自修復多感官電子皮膚（e-skin）。材料受木蛙皮膚低共熔溶劑（DES）化學啟發(fā)，通過雙網絡顆粒有機凝膠（DNGOG）結構，實現(xiàn)了機械變形、溫度、濕度等多刺激的選擇性檢測，同時具備優(yōu)異的自修復能力與環(huán)境適應性。  

仿生設計破解傳統(tǒng)電子皮膚痛點  

傳統(tǒng)電子皮膚多基于水凝膠或離子凝膠，雖具備傳感功能，但存在兩大核心缺陷：無法區(qū)分不同刺激類型（如溫度變化與機械壓力），且在干燥、低溫環(huán)境中易失效。自然界中，木蛙通過分泌膽堿衍生物與葡萄糖形成低共熔溶劑，在零下溫度下防止細胞凍結。受此啟發(fā)，研究團隊將甘油與膽堿 chloride 組成的低共熔溶劑引入有機凝膠，構建了由聚丙烯酰胺（PAAm）網絡連接的聚丙烯酰胺磺酸鹽（PAMPS）微凝膠顆粒結構。  

這種雙網絡顆粒有機凝膠材料展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢：  

多感官選擇性檢測：通過離子電導率變化響應機械應變（應變系數(shù)0.22）、溫度（-20°C至50°C范圍內穩(wěn)定）和濕度（相對濕度20%-80%敏感），并利用長短期記憶（LSTM）神經網絡實現(xiàn)刺激分類，準確率達98%；  

自修復與環(huán)境魯棒性：受損后10秒內可恢復97%的楊氏模量，在室溫下儲存14天仍保持性能穩(wěn)定，且抗凍、抗干燥能力顯著優(yōu)于傳統(tǒng)水凝膠；  

3D打印適配性：利用直接墨水書寫（DIW）技術，可打印復雜3D結構如手指套、機器人外殼，厚度控制精度高，且打印后機械性能與模塑材料相當。  

材料性能與技術突破細節(jié)  

機械性能與自修復機制  

DNGOG的楊氏模量為0.13 MPa，拉伸斷裂應變達510%。其自修復能力源于DES中甘油羥基與膽堿 chloride 銨基形成的強氫鍵網絡：當材料受損時，斷裂面的DES分子通過氫鍵快速重排，使材料在25°C、相對濕度40%條件下接觸10秒即可完成修復。實驗顯示，即使在-20°C低溫下，修復效率仍可達95%。  

導電與傳感性能  

DES的離子導電性使DNGOG具備靈敏的電學響應：室溫下電阻率低至0.24 Ω·cm，且電阻變化與溫度、濕度、應變呈線性關系。值得注意的是，DNGOG的顆粒結構使其電阻率比傳統(tǒng)塊狀有機凝膠低3倍——微凝膠間隙的無聚合物區(qū)域加速了離子擴散，這一結構設計為高性能傳感提供了基礎。  

機器學習賦能精準刺激分類  

研究團隊通過機器人手臂模擬觸覺事件，采集DNGOG在單一刺激（壓力/溫度）及復合刺激（壓力+溫度）下的電阻變化數(shù)據(jù)，輸入LSTM神經網絡訓練。結果顯示，2D薄膜傳感器分類準確率達98%，而3D打印的凹形可穿戴設備因應力分布更復雜，經模型優(yōu)化后分類準確率提升至100%，證明了該技術在實際應用中的可靠性。  

從實驗室到產業(yè)：可穿戴與機器人領域的潛在應用  

這項研究首次將自修復、抗凍抗干燥、3D打印性與多模態(tài)傳感集成于單一材料體系。演示案例中，研究人員打印了貼合手指的可穿戴傳感套，其不僅能監(jiān)測關節(jié)運動（應變分辨率0.01%），還能感知環(huán)境溫度變化（最小檢測0.02°C）。  

對于產業(yè)應用，論文作者指出：“這種電子皮膚在軟機器人抓握力控制、假肢觸覺反饋、醫(yī)療設備生理信號監(jiān)測等領域具有廣闊前景。特別是其在極端溫度下的穩(wěn)定性，可滿足航空航天、極地科考等特殊場景需求。”  

目前，團隊已實現(xiàn)材料量產工藝優(yōu)化，并計劃與醫(yī)療設備廠商合作，開發(fā)用于傷口愈合監(jiān)測的智能繃帶。這一突破為仿生電子材料的實用化邁出了關鍵一步，或將重新定義下一代可穿戴技術的性能標準。  


論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s43246-025-00839-7