本研究由曹毅教授(南京大學物理系)和王偉教授(南京大學物理系)牽頭。他們提出了一種稱為“SHARK”的單層水凝膠人造皮膚，它結(jié)合了高拉伸性、自愈特性和超靈敏機械傳感。
水凝膠已成為構(gòu)建類皮膚機械傳感器的有前途的材料。基于水凝膠的人造皮膚的常見設計需要夾在兩個水凝膠層之間的電介質(zhì)用于電容傳感。然而，這種平面配置限制了靈敏度、拉伸性和自愈性能。水凝膠和彈性體層無與倫比的機械性能通常會導致在多次應變循環(huán)下分層。實現(xiàn)水凝膠和彈性體層的同時自愈以完全恢復水凝膠人造皮膚的功能幾乎是不可能的。盡管取得了重大進展，但實現(xiàn)高度可拉伸但可自我修復的基于水凝膠的機械傳感器需要新穎的設計理念。
在這項工作中，該團隊報告了具有體電容結(jié)作為機械傳感器的單層復合水凝膠的第一個設計。他們設計了介電肽包被的石墨烯(PCG)作為水凝膠中均勻分散的雙電層。整個系統(tǒng)可以看作是由多個微電容器串并聯(lián)形成的大容量電容器結(jié)。因此，SHARK 具有更大的等效雙電層面積，因此比平面形狀的水凝膠傳感器具有更高的靈敏度。任何影響水凝膠中 PCG 微觀分布的機械運動都會顯著改變整體電容。“微電容器分散在 SHARK 的凝膠基質(zhì)中，形成類似于人體皮膚的分布式但相互連接的機械傳感器”，易說。
SHARK 的機械和電氣性能也值得推薦。由于水凝膠網(wǎng)絡和石墨烯之間強大而動態(tài)的界面相互作用，水凝膠人造皮膚可以拉伸至其原始長度的 77 倍，并在不到一分鐘的時間內(nèi)完全自我修復其機械和電性能。它們具有高靈敏度，應變傳感的應變系數(shù)為 1.39，可以有效地傳感空氣和水環(huán)境中的應變和壓力。此外，它們是可重構(gòu)和可打印的，使得構(gòu)建基于 SHARK 的傳感器芯片變得方便。
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