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本文介绍了一种受章鱼和变色龙启发的柔性光电子皮肤（OE-skin）。它能实现近红外（NIR）控制的按需黏附，具备光电协同显示能力，在生物监测、人机交互等领域潜力巨大，为柔性电子皮肤发展提供新思路。
引言
柔性电子皮肤在生物医学领域意义重大，可用于健康监测、人机交互等。然而，当前电子皮肤在与生物界面交互及电功能实现方面存在难题，如黏附系统可控性和鲁棒性不足，多数只能检测单一电子信号且准确性低、干扰大。因此，开发新型柔性电子设备迫在眉睫。受章鱼黏附和变色龙变色机制启发，研究人员设计出具有按需黏附与光电协同显示能力的光电子皮肤（OE-skin）。
材料和方法
- 材料：实验材料包括来自 Sigma-Aldrich（美国）的明胶、丙烯酰胺等，Macklin（中国）的 HF 等，Zhejiang Huafon Spandex 的 PU 等，均为分析纯，可直接使用。
- 制备方法
- PU 反蛋白石薄膜制备：先通过差速离心选取 SiO2纳米球，分散后自组装在玻璃片上，经煅烧得到蛋白石模板。再将 PU 溶液填充其中，固化后蚀刻掉模板，得到 PU 反蛋白石薄膜。
- 单网络水凝胶制备：采用自由基聚合法，将单体、引发剂和交联剂溶解于超纯水，加入 TEMED 引发聚合，在氮气氛围下室温静置形成单网络水凝胶。
- 双网络水凝胶制备：类似单网络水凝胶制备方法，添加明胶和 CNT，形成具有优异性能的双网络水凝胶。
- OE-skin 制备：利用分步模板法构建水凝胶层，先填充双网络 PNIPAm 预凝胶溶液，交联后再注入双网络 PAAm 预凝胶溶液，最后覆盖 PU 反蛋白石薄膜形成耦合。
结果和讨论
- OE-skin 的结构与性能
- 结构：OE-skin 由弹性 PU 反蛋白石薄膜和导电双网络水凝胶层构成，水凝胶层有章鱼启发的半球形黏附阵列。PU 反蛋白石薄膜通过蛋白石模板法制备，具有有序的多层多孔结构，其结构色可通过调控相关参数实现。水凝胶层的制备采用分步模板注入法，与 PU 薄膜耦合后，OE-skin 的结构色更鲜艳。
- 性能：OE-skin 机械性能优异，耦合强度高，拉伸性能和抗切割、穿刺能力强，在多次拉伸、切割和穿刺后，光学、电学和机械性能稳定。此外，OE-skin 具有良好的柔韧性和鲁棒性，能适应复杂环境。
- OE-skin 的光热及黏附性能
- 光热性能：CNT 的引入使 OE-skin 具有敏感且可重复的光热转换性能。在近红外（NIR）808nm 照射下，温度随照射功率密度变化，0.5W/cm2 时温度上升曲线适中，且多次光热循环中温度变化灵敏、稳定。
- 黏附性能：OE-skin 能实现 NIR 控制的按需湿黏附。黏附时，界面水被捕获、负压增强接触、分子扩散形成拓扑黏附；分离时，NIR 破坏这些黏附因素。与无黏附阵列的贴片相比，OE-skin 在湿组织表面黏附力更强，且可多次循环实现可逆黏附，在多种生物组织和材料表面均能牢固黏附，对毛发干扰有抗性，具有良好的透气性和耐水性，生物相容性好，对细胞、组织和生物体无不良影响。
- OE-skin 的监测性能
- 多模态监测：OE-skin 具备光学和电学双模态监测能力，可独立反映温度和运动等生理信息。水凝胶层作为电传感器，其导电性源于 CNT 的自由电子，运动或温度变化时电阻改变；PU 薄膜作为光传感器，运动时结构色改变，温度变化时结构色稳定，从而实现双模态传感，在宽范围内对温度和运动敏感、准确响应。
- 机器学习辅助：利用神经网络算法对 OE-skin 的输入输出信号进行回归和预测，网络模型能有效捕捉信号关系，预测值与实际值一致性高，表明 OE-skin 可与神经网络结合，促进人机交互。
- 实际应用验证：OE-skin 在人体关节运动监测中表现出色，能连续、精确地监测稳定信号，在手指、手腕、肘部和膝盖等部位均能获得可靠数据，具有成为新一代多模态生物信息传感平台的潜力。
结论
受自然生物启发，研究人员成功开发出具有按需黏附与光电协同传感功能的柔性 OE-skin。该皮肤结构色鲜艳，电传感灵敏，能实现可靠的按需黏附，且具有良好的机械性能和生物相容性，在体外和体内实验中展现出巨大的应用潜力。其所用材料工业化程度高，制备过程可优化以实现大规模生产，还可与现有技术集成，为智能生物柔性传感在生理监测、医疗诊断、人机交互等领域提供新机遇。
