Nanoenergy and Biosystem Lab
Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems, Chinese Academy of Sciences

中科院纳米能源所李舟研究员团队《Adv. Mater.》:在-80℃下具有超级可拉伸、快速自愈能力的离子水凝胶用于人工神经纤维

    摔碎的手机屏幕能否像受伤的皮肤一样在短时间内恢复如初呢?自愈合材料的提出和蓬勃发展使其成为可能。基于自愈合材料的柔性电子器件在人造皮肤,软体机器人和制动器等领域获得了广泛关注。因为他们不仅具有类似生物系统的顺应性,且在受到意外损伤时能够很快恢复其形态和功能,从而大大提高了器件的使用寿命,使用安全性和经济效益。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。

    针对这一问题,北京纳米能源与系统研究所李舟研究员团队通过利用Li+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)通过系统优化,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。特别是,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,这为目前水凝胶基的自愈材料在零摄氏度下由于水分和聚合物链段冻结而失效的问题提供了可行的解决方案。

    在这项工作中,李舟研究员团队通过仿生有髓轴突的结构和信号传输功能,展示了一种基于 SSIH 的人工神经纤维 (SSANF),用于实现高保真和高通量的信息交互。将该人工神经纤维集成到多功能机器人时,SSANF展示了它在实时集成信号传递中的用途。克服了传统金属导线无法拉伸和易拉断的缺陷,SSANF在反复大变形下可保持稳定的传输性能,这使全柔性集成系统成为可能。基于该多功能离子水凝胶的仿生器件将使仿生智能机器人更接近模拟复杂的生物系统,为机器人在极端条件下完成无人任务开辟更广阔的应用场景。

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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。(de) 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 ,抗拉强度呈下降趋势,电导率呈现增长趋势。

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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,5min受损部位完全愈合,10min受损部位完全小时。(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5min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)后的拉伸应力-应变曲线。

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3. SSIH 导电性能 (a~c) SSIH30℃-80℃/10EIS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-68℃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

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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。

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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) SSANF200%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


相关研究成果以题为:“Ultra-stretchable and fast self-healing ionic hydrogel in cryogenic environments for artificial nerve fiber”发表在最新一期Advanced Materials (IF: 30.8)上,王婵博士和硕士研究生刘莹为共同第一作者, 李舟研究员为通讯作者。


原文链接:
https://doi.org/10.1002/adma.202105416



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