面板是最大的人體器官，它不僅是人體物理保護的屏障，而且是人體與外界溝通的重要媒介，其表面與內部富含各種各樣的感受器，諸如觸覺、壓覺、振動、痛覺及溫覺等。
人體面板綜合了優異的力學效能及多功能感知能力，這種特性啟發了研究者們發展類面板材料與感測器，相關的研究不僅可為因燒燒、截肢等而失去感知能力的患者提供人造面板並恢復相關的感知能力，更可為軟體機器人、人機介面以及可穿戴電子裝置提供類面板的感測器。
（來源：Pixabay）
理想的人造面板：可延展、良好感知力、自癒合
首先，理想的人造面板不僅需要有與人體面板類似的良好感知能力，而且應與人體面板具有類似的力學性質，即柔軟與可延展。
以具有機械感知特性的人造面板為例，傳統的電阻應變感測器、壓阻式感測器、電容式感測器等硬質感測器不再適用，取而代之的是近年來蓬勃發展的柔性電子器件。
（來源：Pixabay、日本東東大學 Takao Someya 課題）
然而，可延展、良好感知與自癒合之間並不容易兼得，研究者們首先遇到的便是可延展性與電學效能之間的矛盾
初代的具有機械感知能力的人造面板是基於電子導體，由兩部分組成，包括可延展的彈性體及電子導體填充物（如炭黑、金屬、導電聚合物、碳奈米管、石墨烯等）。
近年來，基於離子導體的水凝膠以其良好的生物相容性、與面板近似柔軟度的力學性質等優異效能而受到廣泛關注。但無論是基於電子導體的彈性體複合材料，亦或者是基於離子導體的水凝膠基人造面板，其機械感測特性大多以導電性的改變為基礎，原理與電阻應變式感測器類似。
基於導電性改變的機械感知人造面板的缺點是，其電學特性與可延展性均極度依賴於導電填充物（導電網路）的密度，遺憾的是，提高導電填充物（導電網路）的密度可提高電學性質，但同時會極大降低材料的可延展性，即無法實現良好電學性質與可延展性的兼得。
（來源：筆者自制）
相較於柔性電阻式感測器件，柔性電容式感測器件具有獨特的優點。傳統的電容式感測器具有 “三明治” 結構，即導體/電介質/導體。
平行板電容器電容 C 可表達為：C = εгS/4πkd，式中 εг 為相對介電常數，k 為靜電力常數，S 為兩板正對面積，d 為兩板間距離。因而，當感測器受到拉伸、彎曲、扭轉等變形後，S，d均有可能發生變化，從而導致電容性質發生變化，以此將機械變形訊號轉換為電訊號，實現機械感知。
其次，理想的人造面板還應具備與人體面板類似的自癒合能力。
然而，儘管已有大量的研究致力於電容式感測的水凝膠基人造面板，賦予其自癒合能力仍然面臨挑戰。
實現水凝膠的可延展性與自癒合能力存在一定的矛盾，具有高度可延展性的水凝膠大多由化學交聯網路結構組成而缺乏自癒合的可能；具有自癒合能力的水凝膠多由可逆的物理交聯而成，但無法承受大應變。
此外，現有的水凝膠基電容式感測器大多以 “水凝膠/彈性體/水凝膠” 為三明治結構，而水凝膠與彈性體之間的介面結合問題仍未得到良好的解決，且受限於三層結構的面積，其靈敏度也亟需提高。
鑑於現有水凝膠基人造面板存在的侷限性，南京大學物理學院王煒教授和曹毅教授團隊提出了一種單層水凝膠基人造面板（single-layer hydrogel artificial skin，簡稱 SHARK），水凝膠基質中分散著無數個表面肽塗層石墨烯片，其中微米石墨烯片作為導電電極板，多肽塗層及水凝膠作為電介質，因而 SHARK 可認為是由此無數個分散的微電容器串並聯組成的體電容節，與人體面板的分散而又互相連線的感受器的感測機制類似。
與傳統的水凝膠基人造面板相比，SHARK 具有 77 倍拉伸率的超高可延展性，良好的自癒合能力以及超靈敏度的壓力與應變感知能力，此外 SHARK 還具有良好的流變性質，可 3D 列印成任意形狀，在新一代柔性人造面板領域具有廣泛的應用前景。相關論文以 “Stretchable and self-healable hydrogel artificial skin” 為題，發表在《國家科學評論》（National Science Review）上。
設計與感測原理
（來源：National Science Review）
與傳統的三明治形電容式感測器不同，分散在聚丙烯醯胺水凝膠網路中相鄰的石墨烯片作為 SHARK 的導電電極板，石墨烯片表面覆蓋的多肽以及石墨烯片間的水凝膠作為電介質，在水凝膠網路中組成無數個微型電容器，他們以串並聯的方式在水凝膠中形成一個體相電容節（bulk capacitor junction）。
正因如此，SHARK 擁有更大的等效雙電層面積，意味著比平面形水凝膠感測器有著更高的靈敏度。受到機械變形後，SHARK 中微電容器的微觀分佈將發生改變，並改變整體電容性質，機械變形訊號轉換為電訊號，實現壓力或變形的感知。
SHARK 中包含三種主要成分，即多肽，石墨烯，以及水凝膠，與之相關的關鍵科學問題便是介面設計，包括肽與石墨烯之間，以及石墨烯與水凝膠之間的介面。
多肽的選擇、製備及其與石墨表面的鍵合
多肽序列選擇為 GAGAY（G：甘氨酸，A：丙氨酸，Y：絡氨酸），該自組裝肽序列源自蠶絲蛋白，可形成β摺疊結構。同時在多肽鏈的N端連線上芘集團（Pyrene group，簡稱 Py），透過 Py 與石墨烯間的疏水相互作用和 π-π 堆疊的形式與石墨烯相連線，以製備肽塗層石墨烯（Peptide-coated graphene， 簡稱PCG）。
連線 Py 的肽 Py-GAGAGY 直接在石墨表面自組裝形成纖維肽網路結構。基於原子力顯微鏡 AFM 的單分子力譜儀實驗測定表明，肽網路 Py-GAGAGY 與石墨表面間的解離力有兩個特點，其一是解離力具有高度的率相關特性，且隨著載入率的增加而增加，其二是高解離力特性，在高載入速率（400nm s-1）肽網路 Py-GAGAGY 與石墨表面間的解離力比 Py 與石墨表面間的高出一倍之多。
此兩個特點表明，肽網路 Py-GAGAGY 可有效的自組裝在石墨表面，而且可以實現與石墨烯表面的強但動態的介面鍵合；高解離力的特性不僅有助於石墨烯從石墨上直接機械剝離，而且可提高 SHARK 整體的斷裂韌性，而動態的介面結合特性為 SHARK 的自癒合能力提供了可能。
（來源：National Science Review）
肽塗層石墨烯 PCG 的製備
為提高石墨烯片的剝離效率，該研究團隊在 Py-GAGAGY 溶液中混入少量的聚乙二醇 PEG，Py-GAGAGY 和 Py-GAGAGY-mPEG 在石墨表面共同自組裝成纖維多肽網路，兩者共同充當生物分散劑，在超聲波分散作用下，石墨機械解離為石墨烯片。
在最優比例下，Py-GAGAGY：Py-GAGAGY-mPEG=10：1，所產出的 PCG 效率達 64% ，且具有較高的長期穩定性，可保證 SHARK 具有較好的力學特性和電學穩定性。實驗表明，PCG 的濃度在一個月內無明顯的下降，三個月內濃度下降 30%。經 AFM，透射電子顯微鏡 TEM，X射線光電子能譜分析 XPS 以及拉曼光譜的表徵表明，所製備的石墨烯平均層數為 1。9±0。3，且效能良好而無明顯缺陷。
（來源：National Science Review）
PCG 與水凝膠介面及 SHARK 的製備
為了提高 PCG 與水凝膠網路的連線，研究團隊在原有的多肽鏈 Py-GAGAGY 的末端添加了賴氨酸以引入 C=C 雙鍵（該修飾對 PCG 的製備無影響）。SHARK 的製備可直接透過光致引發含有 PCG 的丙烯醯胺發生聚合。
掃描電子顯微鏡 SEM 表徵表明，SHARK 展現出多孔的水凝膠網路結構，相鄰的 PCG 單元透過聚合物及多肽網路連線。所製備的 SHARK 含水量達 70%，且擁有良好的力學效能，可承受扭轉，彎曲以及膨脹變形。
（來源：National Science Review）
力學效能測試
所製備的 SHARK 具有高度的可延展性，其可被拉伸原長的 77 倍而不發生斷裂。標準的力學拉伸試驗表明，SHARK 的力學效能有以下幾個特點：
SHARK 的楊氏模量、斷裂應變與斷裂韌性均隨 PCG 濃度的提高而提高；
當 PCG 濃度達到 4。5mg mL-1時，SHARK 的斷裂應變為 7736%，是純聚丙烯醯胺水凝膠的 13 倍，韌性為 3 2。64MJ m-3，遠超現有的大多數水凝膠。
SHARK 的力學效能具有顯著的率相關特性，提高應變率，楊氏模量升高而斷裂應變降低
SHARK 具有裂紋不敏感性，其斷裂韌性達 19。75 kJ m-2，遠高於純聚丙烯醯胺水凝膠，表明 Py 與石墨烯間的相互作用可抵抗一定的裂紋擴充套件。
（來源：National Science Review）
電容機械感測效能測試
SAHRK 可被視作由無數個平行板微電容組成的體電容節。經典的三明治形的電容式機械感測器的感測機理在於變形導致的彈性介質層的變形而導致電容改變，當其受到平行於平板的拉伸作用後，由於泊松效應，其寬度和厚度都將收縮，根據電容表達式，其電容將相應的增加。
而 SHARK 則與之相反，在拉伸作用下，SHARK 中的微電容器的板間距（相鄰的 PCG 間距）增加，則電容將減小；反之，當 SAHRK 受到壓縮變形後，其電容則增加。
測試表明，基於 SHARK 的感測器具有良好的線性相關性，在 2600% 應變範圍內，電容改變與應變近似呈線性相關；超快的響應時間，響應時間僅需幾秒；良好的穩定性和抗疲勞特性，在彎曲 1000 次迴圈和 5000 次拉伸迴圈而效能無明顯改變。
（來源：National Science Review）
場景測試——複雜運動模態感知
1、手指關節運動感知，將 SHARK 貼附在手指關節處，在手指關節彎曲與伸展過程中，SHARK 將經歷彎曲，壓縮與拉伸的複合變形，其中以彎曲和壓縮佔主導，因而在整個手指關節運動中，電容增加，SHARK 則很好的感知到了指關節的大尺度運動。
（來源：National Science Review）
2、聲音感知，研究團隊還測試了 SHARK 在高頻和低幅值聲音感知上的能力。研究表明，適當的預應變可提高 SHARK 對聲波的感知能力，原因則可能是預拉伸導致 SHARK 中的 PCG 陣列排布更加一致。當 SHARK 受到 32dB 的聲音刺激後，其電容會快速降低 40% 左右。
（來源：National Science Review）
3、水環境中運動感知，為進一步驗證 SHARK 在有較大背景噪聲中依然能夠表現較好的感知能力，研究團隊首先展示了在水環境中 SHARK 依然能夠很好的感知指關節運動，並展示了 SHARK 可直接感知水中的微流動。
SHARK 的自癒合能力與重塑能力
由於採用了單層結構，且 SHARK 中的多肽與石墨烯間的相互作用是非特異性且可逆的，使得其不僅可實現快速的力學與電學效能的自癒合，而且可實現重塑功能，同時也為其實現 3D 列印提供了可能。
（來源：National Science Review）
（來源：National Science Review）
實驗表明 SHARK 的在四次斷裂與重塑後，雖然其最大拉伸應變有所降低，但仍可達 3500%，且電學效能表現無顯著降低。
（來源：National Science Review）
（來源：National Science Review）
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