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A Tough and Self-Powered Hydrogel for Artificial Skin

材料科学 自愈水凝胶 人工肌肉 韧性 压阻效应 复合材料 压电 聚氨酯 软机器人 人造皮肤 生物医学工程 计算机科学 高分子化学 执行机构 医学 人工智能
作者
Rumin Fu,Lingjie Tu,Yahong Zhou,Lei Fan,Fengmiao Zhang,Zhengao Wang,Jun Xing,Dafu Chen,Chunlin Deng,Guoxin Tan,Peng Yu,Lei Zhou,Chengyun Ning
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:31 (23): 9850-9860 被引量:247
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.9b04041
摘要

Hydrogels, because of their water-rich nature and soft mechanical characteristics that resemble those of skin tissues, are promising materials for artificial skin. Existing piezoresistive hydrogels combine unique tissue-like and sensory properties, but these materials are often plagued by problems such as poor mechanical properties and the requirement of an external power supply or batteries. Here, a tough and self-powered hydrogel based on a tough polyacrylonitrile hydrogel incorporating ferroelectric poly(vinylidene fluoride) (PAN-PVDF) is reported. The dipolar interactions between the PVDF and PAN chains cause an increase in the best electroactive β-phase PVDF percentage in the composites from 0 to 91.3%; thus, a maximum piezoelectric coefficient d33, 30 pC N–1, was achieved for the hydrogels. Skin-like Young’s modulus values (1.33–4.24 MPa), stretchability (90–175%), and high toughness (1.23 MJ/m2) were achieved simultaneously for the hydrogels. This tough gel is capable of generating an electrical signal output (≈30 mV and ≈2.8 μA) with a rapid response (≈31 ms) due to the stress-induced poling effect. Moreover, the gel can also precisely detect physiological signals (e.g., gesture, pulse, and words). This study provides a simple and efficient method for artificial skin with high toughness, self-power generation capability, fast response, low cost, and tissue-like properties.
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