受木蛙启发，瑞士3D打印出自修复长寿命电子皮肤

2025年6月16日，南极熊获悉，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）研究团队在《Communications Materials》发表研究，展示了一种可3D打印的自修复多感官电子皮肤（e-skin）。材料受木蛙皮肤低共熔溶剂（DES）化学启发，通过双网络颗粒有机凝胶（DNGOG）结构，实现了机械变形、温度、湿度等多刺激的选择性检测，同时具备优异的自修复能力与环境适应性。  

仿生设计破解传统电子皮肤痛点  

传统电子皮肤多基于水凝胶或离子凝胶，虽具备传感功能，但存在两大核心缺陷：无法区分不同刺激类型（如温度变化与机械压力），且在干燥、低温环境中易失效。自然界中，木蛙通过分泌胆碱衍生物与葡萄糖形成低共熔溶剂，在零下温度下防止细胞冻结。受此启发，研究团队将甘油与胆碱 chloride 组成的低共熔溶剂引入有机凝胶，构建了由聚丙烯酰胺（PAAm）网络连接的聚丙烯酰胺磺酸盐（PAMPS）微凝胶颗粒结构。  

这种双网络颗粒有机凝胶材料展现出独特优势：  

多感官选择性检测：通过离子电导率变化响应机械应变（应变系数0.22）、温度（-20°C至50°C范围内稳定）和湿度（相对湿度20%-80%敏感），并利用长短期记忆（LSTM）神经网络实现刺激分类，准确率达98%；  

自修复与环境鲁棒性：受损后10秒内可恢复97%的杨氏模量，在室温下储存14天仍保持性能稳定，且抗冻、抗干燥能力显著优于传统水凝胶；  

3D打印适配性：利用直接墨水书写（DIW）技术，可打印复杂3D结构如手指套、机器人外壳，厚度控制精度高，且打印后机械性能与模塑材料相当。  

材料性能与技术突破细节  

机械性能与自修复机制  

DNGOG的杨氏模量为0.13 MPa，拉伸断裂应变达510%。其自修复能力源于DES中甘油羟基与胆碱 chloride 铵基形成的强氢键网络：当材料受损时，断裂面的DES分子通过氢键快速重排，使材料在25°C、相对湿度40%条件下接触10秒即可完成修复。实验显示，即使在-20°C低温下，修复效率仍可达95%。  

导电与传感性能  

DES的离子导电性使DNGOG具备灵敏的电学响应：室温下电阻率低至0.24 Ω·cm，且电阻变化与温度、湿度、应变呈线性关系。值得注意的是，DNGOG的颗粒结构使其电阻率比传统块状有机凝胶低3倍——微凝胶间隙的无聚合物区域加速了离子扩散，这一结构设计为高性能传感提供了基础。  

机器学习赋能精准刺激分类  

研究团队通过机器人手臂模拟触觉事件，采集DNGOG在单一刺激（压力/温度）及复合刺激（压力+温度）下的电阻变化数据，输入LSTM神经网络训练。结果显示，2D薄膜传感器分类准确率达98%，而3D打印的凹形可穿戴设备因应力分布更复杂，经模型优化后分类准确率提升至100%，证明了该技术在实际应用中的可靠性。  

从实验室到产业：可穿戴与机器人领域的潜在应用  

这项研究首次将自修复、抗冻抗干燥、3D打印性与多模态传感集成于单一材料体系。演示案例中，研究人员打印了贴合手指的可穿戴传感套，其不仅能监测关节运动（应变分辨率0.01%），还能感知环境温度变化（最小检测0.02°C）。  

对于产业应用，论文作者指出：“这种电子皮肤在软机器人抓握力控制、假肢触觉反馈、医疗设备生理信号监测等领域具有广阔前景。特别是其在极端温度下的稳定性，可满足航空航天、极地科考等特殊场景需求。”  

目前，团队已实现材料量产工艺优化，并计划与医疗设备厂商合作，开发用于伤口愈合监测的智能绷带。这一突破为仿生电子材料的实用化迈出了关键一步，或将重新定义下一代可穿戴技术的性能标准。  


论文链接：https://www.nature.com/articles/s43246-025-00839-7