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  日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍教授團(tuán)隊(duì)受人體皮膚啟發(fā)設(shè)計了一種多功能Leather/Ag/Polyborosiloxane elastomer（LAP）電子皮膚，其集成了溫度調(diào)節(jié)、電磁干擾（EMI）屏蔽、抗沖擊和壓阻傳感能力。皮革外側(cè)的致密紋路對應(yīng)天然皮膚的表皮層，作為抵御外部環(huán)境的機(jī)械屏障。銀納米線與銀片交織成三維復(fù)合網(wǎng)絡(luò)，填充在生物相容的皮革膠原纖維間隙中，對應(yīng)人體真皮層結(jié)構(gòu)。隨后，引入速率相關(guān)的聚硼硅氧烷彈性體（PBSE）以替代皮下組織層，提升整體緩沖吸能效果（圖1）。最終的 LAP 電子皮膚表現(xiàn)出極高的電磁屏蔽能力（≈75 dB）、良好的焦耳熱性能（3.0 V 供電電壓下達(dá)110 °C）和出色的抗沖擊性（能量耗散率超過85%）。有趣的是，它還能區(qū)分低速壓縮和高速沖擊行為，呈現(xiàn)出相反的電阻變化趨勢。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型智能背心，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域加熱、形狀感知和藍(lán)牙報警，在醫(yī)療保健、可穿戴防護(hù)裝備和人機(jī)交互領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用潛力。該工作已發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上，題為“Exceed the Traditional Dead Leather to Intelligent E-Skin”。

圖1. LAP電子皮膚的制備工藝和傳感-防護(hù)機(jī)理。

  皮革纖維和PBSE之間具有良好的界面黏附效果，剝離強(qiáng)度（σ_p）達(dá)385.3 J m?2。其中，銀納米線可作為“橋梁”連接相鄰銀片，粘附于皮革纖維上，提升三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)空間接觸位點(diǎn)。得益于銀與膠原纖維束之間的緊密纏繞和廣泛的氫鍵作用，銀的修飾顯著提高了LAP的抗拉強(qiáng)度（9.28 MPa），表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能（圖2）。

圖2. LAP電子皮膚的微觀表征和力學(xué)拉伸性能。

  基于優(yōu)異的導(dǎo)電性和分層微結(jié)構(gòu)，LAP展現(xiàn)出極佳的熱管理性能和電磁屏蔽特性。在3.0 V供電電壓下，LAP 表面溫度最高升至110 °C，并且溫度與電壓之間具有較好的線性關(guān)系。得益于歐姆損耗、界面失配、多次反射構(gòu)建的三重耗散機(jī)制，LAP在1.6 mm厚度的情況下，達(dá)到了極高的電磁干擾屏蔽效能（EMI SE_T≈ 75 dB），遠(yuǎn)超過商用屏蔽材料標(biāo)準(zhǔn)（20 dB）（圖3）。

圖3. 熱管理和電磁屏蔽性能。

  通過落錘沖擊試驗(yàn)和有限元模擬對LAP的力學(xué)防護(hù)性能進(jìn)行表征，結(jié)果顯示，在30 cm落錘高度下LAP實(shí)現(xiàn)了出色的峰值力緩沖能力和能量耗散率（> 85%）。其主要?dú)w因于PBSE中動態(tài)B-O鍵在高應(yīng)變率下的互鎖纏結(jié)，使得模量迅速增加，從而耗散了大部分沖擊能量（圖4）。

圖4. 抗沖擊性能和有限元模擬。

  由于敏感纏結(jié)的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，LAP實(shí)現(xiàn)了低能壓縮與動態(tài)高能沖擊電阻信號的解耦。低速壓縮時，LAP電阻下降，能精確識別梯度應(yīng)變，并具備較快的響應(yīng)時間（0.52/0.36 s）。受到落錘沖擊時，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)從錘體中心向四周破壞，電阻在1 ms內(nèi)急劇上升，呈現(xiàn)與壓阻傳感相反的變化趨勢，并能與沖擊能量較好地線性擬合（R2 = 0.994）（圖5）。

圖5. 低速壓縮和高速沖擊傳感性能。

  LAP 電子皮膚可貼附于人體不同位置，通過ΔR/R₀變化清晰分辨不同程度的壓縮、彎曲等日常行為。此外，LAP可作為信號發(fā)生器，無線傳輸摩斯密碼，實(shí)現(xiàn)了“USTC”、“IMVC”的精確識別（圖6）。

圖6. 日常行為監(jiān)測和摩斯密碼識別。

  通過集成5×5 傳感陣列和無線藍(lán)牙技術(shù)，設(shè)計了一款多功能智能防護(hù)皮革背心。該傳感陣列可通過電阻信號變化精準(zhǔn)識別物體的形狀和位置，具備高分辨率的形狀感知功能。同時，當(dāng)遭受小錘沖擊時，沖擊力引發(fā)的導(dǎo)電路徑損傷導(dǎo)致電阻增大超過預(yù)設(shè)閾值，通過藍(lán)牙觸發(fā)手機(jī)報警，展現(xiàn)出極佳的實(shí)時安全監(jiān)測性能（圖7）。

圖7. 智能防護(hù)電熱背心。

  綜上所述，該工作提出了一種基于天然皮革的新型 LAP 電子皮膚，不僅具備優(yōu)異的力-電磁耦合防護(hù)與熱管理能力，還實(shí)現(xiàn)了低能量與高能量傳感信號的解耦。一維銀納米線與二維銀片纏繞皮革纖維形成高效三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，賦予 LAP 電子皮膚出色導(dǎo)電性和高電磁干擾屏蔽效能。基于此，開發(fā)的多功能皮革背心兼具優(yōu)異電加熱與無線沖擊傳感能力，其傳感陣列可精準(zhǔn)識別壓力的形狀與位置，彰顯了 LAP 電子皮膚在下一代可穿戴電子設(shè)備與機(jī)器人領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用潛力。

  論文的第一作者為中國科大工程科學(xué)學(xué)院碩士研究生姚悅，通訊作者為中國科大工程科學(xué)學(xué)院龔興龍教授、宣守虎教授和香港浸會大學(xué)Ken Cham-Fai Leung associate professor。該研究獲得國家自然科學(xué)基金、城市軌道交通安全與應(yīng)急管理安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題以及中國科大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金的資助與支持。

  原文鏈接：Y. Yao, Z. Fan, X. Gong, D. Li, W. Yang, K. C.-F. Leung, X. Wang, S. Liu, J. Yang, S. Xuan, Exceed the Traditional Dead Leather to Intelligent E-Skin. Adv. Funct. Mater. 2025, 2500572.

  https://doi.org/10.1002/adfm.202500572