《Journal of Colloid and Interface Science》：Skin-inspired cross-hierarchical curved wrinkles for programmable surface engineering and
E-skin sensing
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表面皱纹因其多功能特性受到广泛关注。本研究提出一种基于边界应力工程的分级皱纹构建策略（CHCW），通过调控固化剂比例、溅射时间和旋涂时间等参数，在微圆柱阵列上形成有序次级皱纹。实验表明，该结构可使电子皮肤实现双向应变传感（GFx=646.17，GFy=2529.53），并经10,000次循环测试性能稳定。有限元模拟和理论模型揭示了应力分布机制，为柔性电子器件设计提供新思路。
张年强|孙涛|宗轩杰|王杰涛|张成鹏
中国山东省济南市山东大学机械工程学院，教育部高效与清洁机械制造重点实验室，邮编250061
摘要
表面皱纹在提升设备性能和丰富功能多样性方面展现出了巨大潜力。受动物皮肤层次结构和传感功能的启发，我们开发了一种仿生策略来构建交叉层次结构的曲面皱纹（CHCW）。该方法通过边界应力工程诱导皱纹形成，使得在初级微圆柱阵列上有序地形成次级皱纹。通过精确调节固化剂比例、溅射时间和旋涂时间等加工参数，可以编程调控表面形态。响应面方法进一步揭示了制造参数与结构特性之间的定量关系，而有限元仿真和理论建模阐明了CHCW的力学机制。基于CHCW，我们制造了一种具有多方向传感能力的电子皮肤，表现出高灵敏度和宽范围的应变检测能力（GFX = 646.17，32%应变；GFY = 2529.53，30%应变），并且在10,000次加载循环后仍保持可靠性能。更重要的是，这种曲面层次设计有效克服了平面单向皱纹的局限性，为多功能传感提供了一个通用的结构平台，并为下一代电子皮肤设计提供了新的思路。
引言
功能表面在各种新兴应用中变得越来越重要，包括健康监测、可穿戴电子设备和软体机器人系统[1]、[2]、[3]。以简单可控的方式构建有序和自适应的表面结构一直是表面科学和柔性电子学领域的核心挑战。在自然界中，人类和爬行动物的生物皮肤具有显著的表面结构，能够实现动态调节、机械传感和环境适应。受这些自然系统的启发，类皮肤表面结构作为多功能材料的一个快速发展的领域应运而生[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。
在各种策略中，由机械不稳定性引起的皱纹因其简单性、低成本和出色的可扩展性而受到越来越多的关注[9]、[10]、[11]。在过去二十年里，皱纹表面已被用于实现柔性及可穿戴传感器[12]、[13]、[14]、防伪信息加密[15]、[16]、[17]、光控[18]等先进技术中的多种功能。重要的是，皱纹图案的几何特征、周期性和层次组织与设备性能密切相关，赋予材料出色的机械适应性和传感能力[20]、[21]。尽管现有方法在皱纹研究方面取得了显著进展，但开发更精确的控制策略以及使其适用于复杂场景仍是推进多功能材料设计的关键方向。
已经开发了多种制造皱纹结构的方法，包括预拉伸/释放、溶剂膨胀和热诱导膨胀。例如，Wen等人引入了一种使用液晶弹性体的梯度紫外交联策略，可以实现表面微皱纹的动态和可逆调节[22]。通过紫外诱导的梯度交联结合液晶相变，皱纹可以在加热或拉伸时消除，在冷却或释放时重新形成，从而精确控制其波长和方向。Yang等人开发了一种通过在可拉伸PDMS基底上沉积自组装的Ti?C?T? MXene层来构建周期性皱纹MXene薄膜的方法[23]。循环拉伸和释放产生了平行周期性皱纹，实现了多方向和高灵敏度的应变传感性能。Li等人报道了一种通过膨胀调节软微通道形态的策略[24]。通过控制薄膜膨胀程度，可以生成从浅波纹到明显褶皱的各种皱纹结构，展示了该方法在微流体应用（如流体混合和粒子操控）中的潜力。Ma等人通过预拉伸和释放弹性基底形成周期性皱纹图案，建立了一种基于皱纹的光学应变传感器[25]。当受到外部应变时，皱纹形态会发生变化，改变反射光信号，从而实现高灵敏度和可视化的应变检测，为可穿戴和智能光学传感设备的发展提供了宝贵见解。
尽管在皱纹工程方面取得了广泛进展，但现有方法仍受到材料多样性不足、可调性不够以及难以产生定向或层次化图案的局限[26]、[27]、[28]的制约。预拉伸和释放方法需要特定的基底-材料组合，并且在局部或曲面区域进行精确图案化时存在困难[29]、[30]、[31]。膨胀和热驱动的方法易于实现，但常常产生不规则和不可预测的皱纹[32]、[33]。对多方向应变传感、稳健的信息编码和形状自适应表面的需求凸显了当前能力与设备要求之间的明显差距[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。解决这一差距需要能够在多种基底上工作的策略，实现皱纹形态和位置的程序化控制，并支持多尺度层次结构。这些进展是将曲面皱纹转化为未来柔性智能系统可靠组件的关键。
为应对这些挑战，受自然皮肤层次结构的启发，本研究提出了一种基于边界诱导的自组织策略，在曲面基底上制造有序皱纹并构建交叉层次结构的曲面皱纹（CHCW）。该方法无需外部机械加载，工作流程简单，可控性高。通过改变固化剂比例、溅射时间和旋涂时间等基本加工参数，可以编程调控皱纹形态。通过单因素实验和响应面方法，我们系统地确定了控制皱纹形成的关键参数。有限元仿真和理论分析阐明了应力演化机制。值得注意的是，所得到的形态在结构和功能上与自然皮肤非常相似，其中微观表皮皱纹和底层真皮纹理协同作用，形成了多尺度表面。受这种仿生相似性的启发，我们将这些皱纹结构应用于CHCW电子皮肤中，实现了类似皮肤的多方向应变传感和高灵敏度。这项工作为制造仿生皮肤状皱纹结构提供了实用途径，并为下一代柔性智能电子皮肤的设计开辟了新途径。
CHCW的形成策略
动物皮肤的表面纹理展现出层次化和多方向的皱纹排列，形成了高度复杂的结构[19]、[30]、[40]。如图1a所示，大象、蜥蜴、鳄鱼和蛇的皮肤具有复杂的皱纹网络，这些皱纹不仅赋予组织显著的机械灵活性，还实现了多方向应变传感和适应性变形。受这些自然设计的启发，我们构建了仿生皮肤
结论
本研究系统阐明了边界应力诱导的皱纹形成机制，并建立了一种用于构建具有多方向传感能力的仿生电子皮肤的多功能策略。利用Box-Behnken设计，我们推导出了高精度的经验模型，定量预测了皱纹波数，决定系数超过0.96。有限元仿真进一步验证了柔顺基底与刚性基底之间的显著模量不匹配
实验部分
实验材料与设备。本实验使用的PDMS为SILGARD 184，购自Dow Corning（美国）。固化剂和预聚物按照实验方案中规定的比例混合。PDMS用于制造单尺度微圆柱结构薄膜和软基底层。厚度为125微米的聚酰亚胺（PI）薄膜购自广州北龙电子有限公司，作为旋涂基底以控制薄膜厚度
CRediT作者贡献声明
张年强：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法学，研究，正式分析，数据管理，概念化。孙涛：可视化，验证，方法学，研究。宗轩杰：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，概念化。王杰涛：撰写 – 审稿与编辑，监督，正式分析，数据管理，概念化。张成鹏：撰写 – 审稿与编辑，监督，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了山东省重点研发计划（2023CXPT085）、国家自然科学基金（52575408）和山东省高等学校科技创新项目（2022KJ030）的支持。
