电子皮肤（e-skin）作为一种新兴的柔性可穿戴器件已受到人们广泛关注，其在软体机器人、人机交互、生物电子学等领域展现出巨大的应用前景。然而，大多数现有的电子皮肤不能满足人们对其多感知能力和可扩展性的需求；同时，为了使电子皮肤在实际应用中具有类人体皮肤的柔软度、舒适度及灵敏度，需通过复杂的制备过程合成适宜的聚合物柔性基质，并引入导电材料赋予其感知性能，从而实现对信号捕获和反馈。这些问题都在一定程度上制约了电子皮肤的前沿性应用与可持续性发展。

近日，东北林业大学于海鹏教授团队与沈阳化工大学赵大伟教授团队创新提出了一种简单的一步式策略，可控构建了结构与性能可设计性纤维素分子凝胶（M-gel）。基于分子尺度氢键交织网络与纳米尺度纤维骨架协同构成的多尺度结构，该M-gel展现了出色的机械性能（高达7.8 MPa）和高的离子传输性能（高达62.58 mS/cm）。以人类舌头为灵感，基于M-gel的优异性能特性设计了一种仿生多感知电子皮肤，其拥有出色的多重感知行为，可以对压力、触摸、温度、湿度、磁力甚至涩味等刺激做出响应性信息反馈，并能够对刺激种类进行准确辨别与区分。该策略为功能性离子凝胶及电子皮肤的结构与性能设计提供了一种简单、高效、可控、低碳且可扩展的方法，并可指导其他软功能材料结构与性能开发及利用。该研究以“A Scalable Bacterial Cellulose Ionogel for Multisensory Electronic Skin”为题发表于最新一期《Research》期刊。

【M-gel的设计与构建】

该研究使用[Bmim]⁺与Cl^-作为热离子源，将其直接引入细菌纤维素水凝胶中，刺激细菌纤维素纤维原位分子化为纤维素大分子链，从而简单、一步地制备了一种柔性、透明的多尺度分子凝胶M-gel材料。热离子源的引入使得纤维素、H₂O与阴阳离子之间形成了一种扩散-驱动的图灵竞争机制：[Bmim]⁺和Cl^-作为活化剂可与纤维素纤维相互作用，通过破坏分子间/内的氢键，原位转换纤维素纤维为纤维素大分子链，即为分子化过程；同时，H₂O分子作为抑制剂，可诱导纤维素分子链间氢键作用，重塑氢键拓扑网络，抑制分子化过程，称为自组装过程。这两个过程相互联系又相互制约，赋予了M-gel独特的多尺度结构形貌与性能特性（图1）。

图1.M-gel的构建与设计思路

通过对M-gel的微观结构分析，可以清晰观察到M-gel中具有纳米级纤维骨架架构与层状紧密交织的分子氢键拓扑网络结构。更重要的是，通过控制热离子源刺激时间，可以调节H₂O分子和热离子源（[Bmim]⁺与Cl^-）的含量与图灵竞争关系，实现纤维分子化程度（DM）的可设计性，使得我们可以根据需要对M-gel的结构与性能进行调控及优化设计（图2）。

图2. M-gel的结构设计与调控

【M-gel的性能】

基于可设计的多尺度形貌结构，M-gel展现出独特的柔韧性与透明性，其可以与人体皮肤进行紧密的界面接触。与此同时，纤维骨架赋予的高结晶性及分子拓扑网络呈现的丰富氢键效应，使得M-gel材料展现出理想的机械性能与电学性能。在机械性能方面，M-gel拥有强悍的拉伸特性及可调控性，其拉伸强度可在2.53 MPa与15.01 MPa可控调整。在导电性能方面，M-gel的离子电导率也具有可控调节性，其 M-gel-30凝胶的离子电导率可高达62.58 mS/cm，远高于同类离子导体材料，且经过50次的循环折叠及开放环境的长期裸露实验，M-gel依然保持出色的离子导电特性（图3）。

图3. M-gel的性能展示

【仿生多感知电子皮肤构建】

接着，研究人员以人类舌头独特的感知结构为灵感，以M-gel作为类结缔组织的离子传导软组织，选用相应的感知材料模拟舌头感受器神经细胞，成功构建了一种多感知仿生电子皮肤。基于M-gel的高离子传输性及微观结构可设计性，该仿生多感知电子皮肤作为一种柔性电子器件展现出卓越的刺激灵敏性与信号可识别性，可以对多种刺激如压力、触摸、温度、湿度、磁力、涩味等展现出理想的信号识别与行为反馈（图4）。

图4.仿生多感知电子皮肤的构建与感知测试

总结：作者通过热离子源的简单引入，对纤维素纤维进行原位、可控的分子化设计，构建了结构与性能可控调节的分子凝胶材料。利用分子凝胶独特的多尺度结构，借鉴仿生思想在分子凝胶中构建仿生感知单元，开发了一种多感知柔性电子皮肤。该研究为软凝胶功能材料及多功能电子皮肤器件的开发提高了一种低碳、可持续及可扩展的设计思路。