電子皮膚是一種可以模擬皮膚機械性能和感知能力的可穿戴電子設備。為了使電子皮膚更加堅固耐用，大量的自癒合聚合物被相繼開發出來。然而，該類基於弱動態相互作用的自癒合聚合物具有高的粘彈性和弱的機械韌性，無法抵禦較大尺寸的形變，在外力作用下容易破裂。欲使電子皮膚得以實現，研發堅韌且可自修復的材料至為重要。
近期，斯坦福大學化學工程系的鮑哲楠教授課題組利用不同強度的多重氫鍵構建超分子聚合物膜，該聚合物具有易加工性、可拉伸性、高韌性和堅固性，即使在水中也可完成自修復，滿足了上述對於電子皮膚材料的多種要求。該材料使得製造堅固和可伸縮的自愈式電子皮膚設備成為可能，也為未來的軟機器人提供了新的方向。
研究者採用雙（3-氨基丙基）封端的聚（二甲基硅氧烷）、4,4'-亞甲基雙（苯基異氰酸酯）和異佛爾酮二異氰酸酯的一鍋縮聚反應，調整兩種異氰酸酯的比例合成了一系列聚合物（PDMS-MPUx-IU1-x）。該類聚合物自發形成強弱程度不同的氫鍵交聯點，強交聯賦予聚合物韌性和彈性，而弱交聯能夠通過高效的可逆鍵斷裂和重構消散應變能（如圖1）。其中，PDMS-MPU0.4-IU0.6膜可以以2min-1的加載速率，拉伸至其原始長度的16倍而不破裂。
圖1具有高韌性，拉伸性和自愈性的超分子彈性體的分子設計。a）PDMS-MPUx-IU1-x的化學結構和理想的超分子結構；b）拉伸聚合物膜（左側），缺口膜（中間）和癒合膜（右側）的示意圖；c）聚合物中強氫鍵和弱氫鍵的可能組合。
為了探究PDMS-MPUx-IU1-x顯著機械性能的原因，研究者合成了“親本”聚合物（PDMS-MPU和PDMS-IU），這兩類聚合物中，僅存在單一類型的氫鍵。從圖2的應力-應變曲線可以看出，MPU-MPU和IU-IU的交聯強度顯著不同。具體而言，MPU單元能夠形成強有力的交聯以賦予材料以彈性，而IU單元能夠形成弱能量耗散鍵，此外，豐富的動態氫鍵和柔性的PDMS骨架賦予該材料以自癒合能力，且對水並不敏感。
圖2 PDMS-MPUx-IU1-x膜的機械和自修復性能。 a）拉伸前（左）和3000％拉伸（右）的PDMS-MPU0.2-IU0.8膜；b）用PDMS-MPU，PDMS-IU和PDMS-MPU0.4-IU0.6膜的應力-應變曲線；c）不同組成比例的膜應力-應變曲線； d）存在缺口的聚合物膜在拉伸下並不損壞； e）聚合物PDMS-MPUx-IU1-x和混合膜（PDMS-MPU和PDMS-IU）中MPU和IU的單元摩爾比和斷裂能量的關係曲線；f）損傷和癒合的PDMS-MPU0.4-IU0.6膜的光學顯微鏡圖像；g）在室溫下癒合不同時間的膜的應力-應變曲線 ；h）PDMS-MPU0.4-IU0.6膜的自修復，且可以在水下進行；i）與近期在合成可拉伸和堅韌材料的比較。
基於該材料的上述優點，研究者製造了由液態金屬EGaIn作為導電層、PDMS-MPU0.4-IU0.6作為封裝和支撐層的可伸縮自愈電極（圖3）。這是首例具有500％高拉伸性、高導電性且水不敏感自修覆電極。
圖3高度可伸展和自我修復的電極。a）自愈電極的示意圖（左圖）。在拉伸前和拉伸後LED燈均能發光；b）電阻隨循環拉伸時，自修覆電極電阻和應變的關係；c）將自愈電極切成兩塊，並在人造汗水中修復；d）在人造汗液中經過9小時的自愈過程後，在拉伸狀態下，仍能點亮LED燈。
利用已製備的自修覆電極，研究者繼續製作一個電容式應變感應電子皮膚，用自癒合膜作為介電層和封裝材料。該電子皮膚可以拉伸到其原始長度的五倍，而不會失去層之間的良好接觸及其傳感能力。此外，即使在電子皮膚上施以諸如刮擦和切斷之類的機械性損傷，由於該聚合物的高韌性，電子皮膚仍能工作。
圖4高度可拉伸和自我修復的電子皮膚。a）應變傳感器結構的示意圖；b）切割應變傳感器（插圖）和癒合後應變傳感器的高拉伸性；c）原始和修復的應變傳感器的電容-應變曲線；d）拉伸前後，帶有缺口的應變傳感器；e）檢測金屬球存在的7×7應變傳感器陣列；f）基於電容變化的金屬球重量的應變分佈圖。
原文鏈接：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201706846/full
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