極地探索可以幫助人類了解氣候變化、冰川動態、海洋生態和極地生物,還可以引領人類發現遠古建筑和先進文明。人類從未停止過對極地這片地球最極端寒冷地區的探索,美國國家科學基金會每年會向極地項目投資約5億美元用于發現極地的各種資源。極低溫環境是極地探索最主要的挑戰之一,南極和北極的年平均氣溫在-49°C至-31.4°C之間,北極的最低氣溫可低至-78°C,這為極地探險者的生命安全帶來了極大的風險。為此,極地機器人的研發對減小探險人員的傷亡,對人類開發未知危險地帶有著重要的意義。
電子皮膚(e-skins)可以賦予機器人“觸覺“,顯著提升機器人的智能程度。然而開發可用于超低溫環境的電子皮膚具有極大的挑戰性,因為常用的彈性基底和電子墨水在極低溫度下無法保持柔韌性、導電性、或其他先進性能(如自愈能力)。目前,沒有相關研究報道過用于超低溫使用的電子皮膚。迫切需要設計出在超低溫下具有可拉伸、自愈以及高靈敏的柔性電子皮膚來填補該領域的這一空白。
圖5. 構建-78°C下自愈合的電子皮膚,具極地探索的應用潛力
為了證明新型柔性傳感器探索極地地區未知物質的潛力,研究人員設計了一個應用在機器手掌的 12×12 的電子皮膚傳感器矩陣以及應用在機器手指上的 1×2 個電子皮膚矩陣。在?78°C下,手掌上電子皮膚矩陣可以通過響應不同的電子信號對不同的形狀進行感知,從而識別未知物質的3D結構。使用機械手指上的電子皮膚矩陣識別了具有6個響應位點的盲文字母,展現出其能夠應用于探索未知符號的潛力。
通訊作者簡介
張雷,天津大學化工學院生物化工系教授、系主任、博士生導師,國家自然科學基金優秀青年基金獲得者。主要研究方向包括生物化工與合成生物學、細胞/器官保存、抗冰涂料、功能材料等。已在Nature Biotechnology, Nature Communications, JACS, Angew, Chemical Reviews, AIChE Journal, Research, Engineering等期刊發表論文100多篇。
論文信息:Highly stretchable, self-healing, and sensitive e-skins at ?78oC for polar exploration. Kai Yang?, Qingsi Li?, Shu Tian?, Jiancheng Wang, Guangming Lu, Hongshuang Guo, Sijia Xu, Lei Zhang*, Jing Yang*
JACS, 2024, DOI: doi.org/10.1021/jacs.4c00541
全文鏈接:https://doi.org/10.1021/jacs.4c00541
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