一种可拉伸的传感器材料可为可在极冷环境中工作的可穿戴电子设备供电

多伦多大学应用科学与工程学院的研究人员设计的一种新材料将人体皮肤的柔韧性与改进的导电性和低至 -93 C 的温度耐受性相结合。这种被称为离子皮肤或 iSkin 的物质可以增强广泛的技术——从可穿戴电子产品到软机器人。

该物质属于称为水凝胶的材料家族，在最近发表在《高级功能材料》杂志上的一篇论文中进行了详细描述。

“水凝胶是交联聚合物，能够在其化学结构中容纳大量水分，”目前正在麻省理工学院完成博士后工作的 Binbin Ying 说，他在麦吉尔大学攻读研究生期间领导了材料的设计同时在多伦多大学工程学院刘新宇教授的实验室做访问博士生。

“我们体内的许多组织都是水凝胶，因此它们通常用于生物相容性很重要的应用，例如化妆品或组织工程。但如果我们想将它们用于柔软、灵活或可穿戴的电子产品中，我们需要添加新功能，如机械拉伸性和导电性。”

去年，Ying 和 Liu 推出了 iSkin 的早期版本，展示了它的一些功能：自供电、无毒并且可以拉伸到原始尺寸的 400%。

最重要的是，弯曲材料会导致其电导率发生成比例的变化。这使其能够将物理运动转换为类似的电信号。

“物理治疗师可以将它贴在您的膝盖或肘部，以测量您的关节何时移动以及移动了多少，”刘说。“我们还将它涂在手套上，使我们能够测量和跟踪手部运动，进而可以用来控制机器人。这是一种非常通用的方式来促进各种人机交互。”

在本科生陈瑞安、左润泽和博士生周展峰的贡献下，研究人员正在探索 iSkin 的进一步应用。例如，将材料块添加到机械抓手会提供一组反馈信号，这些信号对于每个被抓握的物品都是唯一的。分析信号组合可以让机器人“感觉到”它正在拾取的东西。结合人工智能算法，机器人甚至可以学会区分硬与软、圆形与立方体等物品，并对其进行适当分类。

到目前为止，iSkin 面临着所有水凝胶的共同缺点：当其中的水结冰时，由此产生的冰晶会对复杂的聚合物基质造成严重损坏。凉爽干燥的空气也可以将剩余的液态水从水凝胶中吸出。

Ying 和他的团队成员通过添加甘油来解决这个问题，甘油是一种无毒化学物质，常用于从食物到发胶的所有事物。在仔细测试了数百种可能的配方后，他们开发了一种新的 iSkin 配方，可以在不牺牲材料其他有用特性的情况下提高耐寒性。

作为额外的好处，新配方使水凝胶更容易粘附在皮肤、衣服和其他材料上。

“我们把它粘在夹克外面，然后走进多伦多的冬天，那里的温度低于零度 10 度，”应说。“我们能够进行与实验室相同类型的测量。”

耐寒性和改善的粘性进一步增加了该材料的可能应用范围。例如，分拣机械手爪现在可以在低温存储设施中运行，在那里人们工作会感到不舒服。

该团队还设想了其他可能性，包括设计用于在北极环境中攀爬崎岖地形的软机器人。未来，他们计划继续开发这种材料并可能将其小型化。

标签： 传感器材料