【仪表网 研发快讯】近日，东南大学化学化工学院、无锡校区张久洋教授课题组在金属-高分子柔性电子材料领域取得重要进展，相关研究成果于12月16日在国际知名学术期刊《Matter》上在线发表，论文题目为“Biomimetic conductor from viscoelastic polymer composite gels for smart soft electronics(基于粘弹性聚合物导体的仿生电子器件)”。
图1. (A-F) 柔性生物导体的结构、类神经特性; (G-H) 柔性生物导体制备的电子器件应用于飞行器中以模拟生物神经系统中的信号传输、处理和响应。
现代软体机器人的研究致力于模仿生物体的柔软性和智能运动特性，以提高机器人在复杂环境中的适应性和交互能力。生物体内的神经系统在感知、反应和学习方面实现了高度优化，并展现出信号持久性和对外界刺激的适应性等特点。然而当今的软体机器人通常使用弹性导体来构建感觉系统，大多表现出瞬时响应行为(对突然变化的迅速反应)。这些系统可使机器人快速感知并立即做出反应，但阻碍了对环境的适应能力和对生物智能运动的模仿。因此，如何设计出具有神经传导特性的柔性导体，使软体机器人像生物体一样具有进化优势，仍然是一个紧迫而具有挑战性的问题。
本研究成功地将粘弹性高分子凝胶与金属导电纤维相结合，制成了柔性生物导体(bio-conductor)。与传统的柔性导体不同，生物导体成功实现了生物神经系统中的感觉残留和自适应特性，即当导体受到外部刺激，电信号的变化不是立即响应，而是产生一定的延时效果。生物导体的这种仿生行为归功于对高分子凝胶基质和金属纤维组成的导电网络的精确控制。高分子的松弛行为能有效控制金属纤维之间的接触，从而成功实现对导电网络的有效调节。更重要的是，高分子松弛动力学赋予了生物导体类似于神经系统的自适应特性，使电信号能够随着导电路径的恢复而恢复。有趣的是，信号传输可以通过调节高分子凝胶和金属纤维的参数(包括分子量、温度、湿度、变形速率、纤维长度等)来进行有效的控制，对不同的环境条件做出相应的反应。此外，本研究还成功建立了一个集成了生物导体、微控制器单元(MCU)和飞行器的机器人系统，以模拟生物神经系统中的信号传输、处理和响应。这项工作为软体机器人和仿生系统提供了一种创新的信息传输解决方案，为下一代柔性电子产品提供了新的途径。
金属-高分子复合电子材料是张久洋教授课题组的重要研究方向，主要探索金属-高分子复合材料在柔性电子、电子器件以及电子化工基础材料中的科学理论与应用前景。前期相关成果还发表于Adv. Mater. 2024, 2305707, Matter 2023, 6, 226 – 238, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2022, 119, e2200223119; Matter 2021, 4, 3001 – 3014; Adv. Mater. 2021, 202104634等国际著名期刊。论文第一作者为研究生蓝靖云；张久洋教授是论文的唯一通讯作者。
该研究成果得到东南大学化学化工学院、无锡校区和国家自然科学基金(52173249, 21774020)的支持。
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