在生物系統中，軟組織可以通過(guò)應變增強有效地調節其機械強度以避免損傷。這(zhè)些組織結合生物體的體感系統，可以經(jīng)曆從觸覺到痛覺的可控感覺阈值轉變，從而使得生物體能(néng)夠主動感知到可能(néng)造成(chéng)傷害的機械刺激，并進(jìn)一步迅速做出反應，防止危險的發(fā)生。因此，在應變機械增強之前，主動保護功能(néng)的實現依賴于感覺系統觸發(fā)的強烈且快速的疼痛警告。盡管傳統的電子皮膚可以通過(guò)預先設定的電阻變化阈值來模拟人類的觸覺或痛覺功能(néng)，但通過(guò)應變感知增強（SPS）來實現主動感知仍然存在一定的挑戰。在SPS材料系統中，靈敏度系數（GF）和施加的應變具有典型的正相關性，并在應變阈值前後(hòu)GF表現出明顯的提高，從而實現感知從觸覺到痛覺的過(guò)渡。更重要的是，探索不依賴于物理尺寸、形狀和初始電導率的SPS材料系統將(jiāng)有利于智能(néng)友好(hǎo)型軟體機器人的發(fā)展，對(duì)人機交互中危險的提前規避具有重要意義。

　　近期，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所智能(néng)高分子材料團隊陳濤研究員和肖鵬副研究員基于在碳基/高分子複合薄膜的構築及其柔性驅動與傳感方面(miàn)的研究基礎（ACS Nano, 2019, 13, 4368; Nano Energy, 2019, 59, 422; Nature Commun., 2020, 11, 4359; Nano Energy, 2021, 81, 105617; Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2105323; Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2107281; Nano-Micro Lett.,2022, 14, 32; Nano-Micro Lett.,2022, 14, 62等），受生物軟組織應變機械增強的啓發(fā)，提出了基于SPS效應的仿生皮膚，實現從觸覺到痛覺感知的動态轉變。

　　本工作采用界面(miàn)自組裝和原位功能(néng)化策略構築了具有界面(miàn)互鎖結構的二維石墨烯基彈性超薄膜（ECF）。與基于一維碳納米管的ECF不同，基于二維石墨烯片層的ECF表現出随應變正向(xiàng)變化的GF行爲，這(zhè)和真實脊椎動物的神經(jīng)感覺系統具有相似的感知趨勢。在ECF中，石墨烯片層之間相互堆疊形成(chéng)的動态網絡可以通過(guò)不同程度的滑移靈敏地響應外界應變刺激，從而實現低應變下正常的觸覺感知和高于應變阈值的痛覺感知。進(jìn)一步，通過(guò)調控石墨烯片層的厚度，可以實現應變阈值在7.2%到95.3%範圍内變化。這(zhè)種(zhǒng)優異的性能(néng)可調性將(jiāng)大大促進(jìn)ECFs在基于SPS效應的仿生皮膚中的應用，去模仿人體組織的疼痛感知功能(néng)，比如監測肌腱的過(guò)度拉伸以及手背皮膚受到拉扯産生的痛覺。受河豚皮膚三維形變啓發(fā)，將(jiāng)ECF集成(chéng)爲自支撐形式的仿生皮膚，可以靈敏感知接觸或非接觸式機械刺激以及實時監測三維氣動形變。不僅如此，還(hái)可以通過(guò)SPS效應有效地檢測到處于過(guò)度膨脹狀态的三維形變，實現動态的痛覺感知。未來，基于SPS效應的ECFs有望在安全友好(hǎo)的人機交互、智能(néng)假肢和軟體機器人中得到廣泛應用。

　　該工作以題爲“Biomimetic Skins Enable Strain-Perception-Strengthening Soft Morphing”發(fā)表在Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2201812。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（52073295）、浙江（之江）實驗室開(kāi)放研究項目（No.2022MG0AB01）、國(guó)家自然科學(xué)基金委中德交流項目（M-0424）、中科院前沿科學(xué)重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作局（174433KYSB20170061）及王寬誠國(guó)際交叉團隊（GJTD-2019-13）等項目的資助。

基于ECF的仿生皮膚用于應變感知增強（SPS）的觸覺和痛覺管理

　　（高分子與複合材料實驗室 周偉）