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【科技日報】長時間變形或拉伸后也能自我修復 “仿真肌肉”或打造現實版阿麗塔
作者:,日期:2021-02-25

  洪恒飛 本報記者 江 耘

  在科幻電影《阿麗塔:戰斗天使》中,主角阿麗塔的全身由可拉伸電子器件組裝而成,質地柔軟且具備各種監測和感受功能。其關鍵組件彈性基體,能使電子器件在大幅度變形后不影響電學性能,同時實時傳感外界刺激。此類可拉伸電子器件被學界視作未來仿真機器人以及人體假肢領域的重要組成部分。

  科技日報記者2月21日從中國科學院寧波材料技術與工程研究所獲悉,該所朱錦研究員團隊開發了一種兼備超強韌、熱修復以及自愈合性能的新型聚氨酯(DA-PU)材料,適合用作可拉伸電子產品的彈性基體,確保電子器件在復雜環境下仍能穩定工作,為柔性電子器件的基體開發和應用提供了研究思路和新視角。相關研究論文發表于《先進功能材料》。

  歷時兩年合成,新材料兼具韌性和自愈合性能

  “作為柔性電子領域的新一代技術,可拉伸電子器件具備更加出色的變形和傳感能力。”論文第一作者應鄔彬副研究員介紹,整個可拉伸電子器件的力學性能由彈性基體來承載,且其質量占比高達80%以上。目前常用的聚合物彈性基體材料有聚氨酯、硅基橡膠、水凝膠以及苯乙烯基橡膠等。

  機械假肢、貼身動作監測器、各式可穿戴設備……由于可拉伸電子器件面對的應用環境復雜多樣,人們希望高分子彈性基體在力學強韌的基礎上,擁有人類皮膚的自愈合功能,從而提高可拉伸電子器件的耐用性和工作穩定性。

  目前,在世界范圍內,已有科研團隊成功開發了多種自愈合彈性基體,但是兼顧力學性能和自愈合性能仍舊是個業界難題。

  “如果彈性基體產生破裂或者完全撕裂,那整個電子器件將會直接失去作用,損失非常大。”應鄔彬解釋道,大部分彈性基體的分子鏈結構較為單一,進而限制了其功能單元的引入和自愈合功能的實現。同時,自愈合功能單元大多為動態鍵,對于普通的化學鍵來說鍵能較低,會降低原先分子鏈結構的結合強度和聚集形態,從而對力學性能產生不利影響。

  “我們選擇具有可逆動態自組裝功能的基團,將其導入聚氨酯中。”應鄔彬介紹說,此類基團不僅能夠進行自組裝交換,還具有相對較強的結合力,這就是兼具韌性和自愈合性能的關鍵。

  “此外,擁有自組裝效應的基團即使被外力分開,也能通過加熱促使其快速運動,最終找到自己的‘另一半’進行再次組裝,從而實現和肌肉一樣的熱修復。”據應鄔彬介紹,團隊從肌肉生理功能獲得啟發,歷時兩年合成了一種主鏈上電子供體和電子受體基團交替分布的聚氨酯,實現了分子鏈內和鏈間的供體與受體自組裝,使其具有韌性以及自愈合性能。

  工藝難點尚存,產業化步伐亟須加快

  研究團隊經過上百次的實驗測得,新合成的聚氨酯具有高達1900%的斷裂伸長率,以及強大的韌性。同時,此類聚氨酯還具有優異的自愈合性能,即使中間部分被完全切開,也能夠逐漸實現自我修復,其力學性能還會隨著時間的推移而增加,并最終恢復到原始韌性的97%。

  “即使在較大的應變變形或長時間拉伸的情況下,經過60℃的熱修復,新型聚氨酯也能在一分鐘內基本恢復到原始長度。”應鄔彬介紹道,這一“仿真肌肉”的合成,為可拉伸電子器件提供了更多應用場景,例如需要大應變的貼身動作監測器、破損情況較多的戶外運動監測器等。團隊趁熱打鐵,歷時半年制備出了一種可拉伸、自愈合的電容式傳感器。

  談及相關成果的產業化,應鄔彬告訴記者,由于該基體的制備需要在惰性氣體下進行,成本較高,目前只局限于實驗室中的制備。

  應鄔彬表示,從彈性基體到可拉伸電子器件的制備轉化,已經在許多實驗室里得以實現,但還存在諸多工藝難點,比如接口問題、程序設計難等,大多都是小規模的制備,因此可拉伸電子器件目前幾乎沒有成熟的商業產品出現。實現工業轉化還需時間。

  “我們團隊一直致力于高分子材料的研發和應用,無論在基礎研究還是技術開發方面都有一定的積累,目前也在積極開發相關的產業化工藝。”應鄔彬說,相信在不久的將來,人體假肢等領域將會率先出現以可拉伸電子器件為基礎的產品, 阿麗塔的手臂將成為現實。

  (原文發布于2021年2月25日《科技日報》第6版)

  【原文鏈接】http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2021-02/25/content_463135.htm?div=-1

 

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