编辑推荐：
本文介绍一种多层自修复电子皮肤，可精准感知针刺和手术刀切口的三维损伤，分辨率达毫米级。其基于动态聚合物复合材料的自主对齐与自修复特性，通过层间电短路原理实现损伤传感，为可重复使用的手术模拟技术和智能软机器人设计提供新方向。
研究背景与设计思路
软生物组织如皮肤具备精确感知损伤并触发局部修复的能力，通过分子、细胞和组织层面的协同作用实现多层结构的功能恢复。受此启发，研究人员利用互不相溶的动态聚合物复合材料的自主对齐和自修复特性，设计出一种多层电路，能够以毫米级精度感知三维损伤并从多次损伤中愈合。该电子皮肤的传感原理基于手术刀和针头导电工具造成损伤时设备层之间的电短路。
材料与结构特性
研究采用双脲基动态共聚物 PDMS-HB 和 PPG-HB，通过调节链上弱氢键和强氢键基团的间距和组成，获得互不相溶但具有粘性、热机械行为和自修复动力学相似的聚合物。通过将粘性聚合物溶液与功能性颗粒材料剪切混合，制备出导电、电阻和绝缘复合材料，如含银微米片的导电 PPG-HB、含炭黑（CB）的电阻 PPG-HB 和含钛酸锶（SrTiO3）微米粉的绝缘 PDMS-HB。这些复合材料通过热压和层压技术制成具有可控厚度的薄膜和多层结构。
多层自修复性能
对三层电阻层和介电层堆叠的测试装置进行研究，当用手术刀切口时，电阻迅速增加，重新接触受损电阻层后，电阻恢复到初始值的 2-3 倍。升温至 70°C 和 90°C 进行热退火，电阻逐渐恢复到初始值，显微镜图像显示多层器件在多次损伤和愈合循环后层间对齐愈合。
一维损伤感知
一维损伤传感系统由驱动层和感知层组成，中间由绝缘层隔开。当导电工具损伤多层结构时，驱动层和感知层之间形成电通路，感知层记录的电压与损伤位置呈线性关系。通过在精密六轴力传感器上进行穿刺实验，验证了该传感机制的准确性，损伤位置的感知精度约为 1 毫米。
深度与三维损伤感知
通过在驱动层下方堆叠三个感知层，利用各层的激活顺序和已知层厚度，可推断损伤深度。三维损伤传感器通过两层垂直驱动层和三个感知层的设计，交替施加电压，实现二维横向位置和穿刺速度、深度的测量，对指定位置的损伤感知平均误差为 1.5 毫米。
讨论与应用前景
该研究在自修复、损伤传感软电子设备的设计和功能方面取得进展，实现了毫米级分辨率的三维损伤检测和多次自修复。未来需进一步开发具有更匹配热流变行为的电阻和绝缘复合材料，降低材料与手术刀、针头的摩擦，以更真实模拟组织的触觉。该自修复电子皮肤可应用于环甲膜切开术、硬膜外麻醉、静脉穿刺等手术模拟，为外科培训提供可重复使用的设备和定量性能指标。
