【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、無(wú)錫校區(qū)張久洋教授課題組在金屬-高分子柔性電子材料領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果于12月16日在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《Matter》上在線發(fā)表，論文題目為“Biomimetic conductor from viscoelastic polymer composite gels for smart soft electronics(基于粘彈性聚合物導(dǎo)體的仿生電子器件)”。
 

　　圖1. (A-F) 柔性生物導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、類神經(jīng)特性; (G-H) 柔性生物導(dǎo)體制備的電子器件應(yīng)用于飛行器中以模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)中的信號(hào)傳輸、處理和響應(yīng)。

 

　　現(xiàn)代軟體機(jī)器人的研究致力于模仿生物體的柔軟性和智能運(yùn)動(dòng)特性，以提高機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的適應(yīng)性和交互能力。生物體內(nèi)的神經(jīng)系統(tǒng)在感知、反應(yīng)和學(xué)習(xí)方面實(shí)現(xiàn)了高度優(yōu)化，并展現(xiàn)出信號(hào)持久性和對(duì)外界刺激的適應(yīng)性等特點(diǎn)。然而當(dāng)今的軟體機(jī)器人通常使用彈性導(dǎo)體來(lái)構(gòu)建感覺(jué)系統(tǒng)，大多表現(xiàn)出瞬時(shí)響應(yīng)行為(對(duì)突然變化的迅速反應(yīng))。這些系統(tǒng)可使機(jī)器人快速感知并立即做出反應(yīng)，但阻礙了對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力和對(duì)生物智能運(yùn)動(dòng)的模仿。因此，如何設(shè)計(jì)出具有神經(jīng)傳導(dǎo)特性的柔性導(dǎo)體，使軟體機(jī)器人像生物體一樣具有進(jìn)化優(yōu)勢(shì)，仍然是一個(gè)緊迫而具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。
 

　　本研究成功地將粘彈性高分子凝膠與金屬導(dǎo)電纖維相結(jié)合，制成了柔性生物導(dǎo)體(bio-conductor)。與傳統(tǒng)的柔性導(dǎo)體不同，生物導(dǎo)體成功實(shí)現(xiàn)了生物神經(jīng)系統(tǒng)中的感覺(jué)殘留和自適應(yīng)特性，即當(dāng)導(dǎo)體受到外部刺激，電信號(hào)的變化不是立即響應(yīng)，而是產(chǎn)生一定的延時(shí)效果。生物導(dǎo)體的這種仿生行為歸功于對(duì)高分子凝膠基質(zhì)和金屬纖維組成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的精確控制。高分子的松弛行為能有效控制金屬纖維之間的接觸，從而成功實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的有效調(diào)節(jié)。更重要的是，高分子松弛動(dòng)力學(xué)賦予了生物導(dǎo)體類似于神經(jīng)系統(tǒng)的自適應(yīng)特性，使電信號(hào)能夠隨著導(dǎo)電路徑的恢復(fù)而恢復(fù)。有趣的是，信號(hào)傳輸可以通過(guò)調(diào)節(jié)高分子凝膠和金屬纖維的參數(shù)(包括分子量、溫度、濕度、變形速率、纖維長(zhǎng)度等)來(lái)進(jìn)行有效的控制，對(duì)不同的環(huán)境條件做出相應(yīng)的反應(yīng)。此外，本研究還成功建立了一個(gè)集成了生物導(dǎo)體、微控制器單元(MCU)和飛行器的機(jī)器人系統(tǒng)，以模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)中的信號(hào)傳輸、處理和響應(yīng)。這項(xiàng)工作為軟體機(jī)器人和仿生系統(tǒng)提供了一種創(chuàng)新的信息傳輸解決方案，為下一代柔性電子產(chǎn)品提供了新的途徑。
 

　　金屬-高分子復(fù)合電子材料是張久洋教授課題組的重要研究方向，主要探索金屬-高分子復(fù)合材料在柔性電子、電子器件以及電子化工基礎(chǔ)材料中的科學(xué)理論與應(yīng)用前景。前期相關(guān)成果還發(fā)表于Adv. Mater. 2024, 2305707, Matter 2023, 6, 226 – 238, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2022, 119, e2200223119; Matter 2021, 4, 3001 – 3014; Adv. Mater. 2021, 202104634等國(guó)際著名期刊。論文第一作者為研究生藍(lán)靖云；張久洋教授是論文的唯一通訊作者。
 

　　該研究成果得到東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、無(wú)錫校區(qū)和國(guó)家自然科學(xué)基金(52173249, 21774020)的支持。