自组装双层超弹性电子皮肤：突破韧性-迟滞权衡的制备、表征与应用

本文报道了一种通过自组装双层结构（多壁碳纳米管MWCNT导电墨水嵌入多孔Ecoflex层+非多孔超弹性基质）实现的兼具高韧性（提升9倍）和低迟滞（降低2倍）的电子皮肤（e-skin）。该设计打破传统超弹性材料中韧性-迟滞的负相关性，通过有限元模拟揭示应变软化效应是这一突破的物理机制。传感器表现出600%应变范围内2.4的应变灵敏度、81 ms响应速度、0.1%应变分辨率及优异耐久性，成功应用于肌肉疲劳监测（<10%应变）和避孕套爆破测试（>500%应变）等生物医学与工业场景。

　　

亮点

本研究开发的混合双层（HB）电子皮肤通过仿生结构设计，成功破解了超弹性材料中"高韧性必伴随高迟滞"的经典难题。多孔层（类似皮肤真皮层）赋予材料低杨氏模量和高拉伸性，而非多孔层（类似表皮层）则提供机械强化，二者通过独创的一锅法自组装形成无缝结合。

材料与方法

HB电子皮肤采用NaCl模板法构建多孔Ecoflex-0030层（含MWCNT/乙二醇导电墨水），下层为非多孔Ecoflex基质。通过调控NaCl比例（0-50 wt%）实现孔隙率精确控制，X射线显微CT（μ-CT）和场发射扫描电镜（FESEM）证实双层结构完整性，拉曼光谱显示MWCNT在孔隙中的均匀分散（D/G峰比1.03）。

结果与讨论

力学测试显示HB材料的断裂能达9.8 kJ/m²（比单层高9倍），迟滞仅12%（降低50%）。有限元分析揭示多孔层的应变软化效应可重新分布应力场，这是打破传统权衡的关键。电学性能方面，在600%应变下灵敏度系数（GF）保持2.4，81 ms快速响应归因于MWCNT网络的动态重构机制。

应用验证

1）肌肉阻抗监测：贴附于肱二头肌时，能检测0.1%级微小应变，通过阻抗变化量化肌肉疲劳度

2）避孕套爆破测试：在500%超拉伸条件下仍保持信号稳定性，精度超越传统光学测量法

结论

这种自组装HB电子皮肤为可穿戴医疗设备（如连续肌电监测）和工业检测（如弹性材料极限测试）提供了革新性解决方案，其"鱼与熊掌兼得"的材料设计策略为柔性电子领域树立了新范式。