近日，東南大學化學化工學院、無錫校區張久洋教授課題組在金屬-高分子柔性電子材料領域取得重要進展，相關研究成果于12月16日在國際知名學術期刊《Matter》上在線發表，論文題目為“Biomimetic conductor from viscoelastic polymer composite gels for smart soft electronics(基于粘彈性聚合物導體的仿生電子器件)”。
 

　　圖1. (A-F) 柔性生物導體的結構、類神經特性; (G-H) 柔性生物導體制備的電子器件應用于飛行器中以模擬生物神經系統中的信號傳輸、處理和響應。

 

　　現代軟體機器人的研究致力于模仿生物體的柔軟性和智能運動特性，以提高機器人在復雜環境中的適應性和交互能力。生物體內的神經系統在感知、反應和學習方面實現了高度優化，并展現出信號持久性和對外界刺激的適應性等特點。然而當今的軟體機器人通常使用彈性導體來構建感覺系統，大多表現出瞬時響應行為(對突然變化的迅速反應)。這些系統可使機器人快速感知并立即做出反應，但阻礙了對環境的適應能力和對生物智能運動的模仿。因此，如何設計出具有神經傳導特性的柔性導體，使軟體機器人像生物體一樣具有進化優勢，仍然是一個緊迫而具有挑戰性的問題。
 

　　本研究成功地將粘彈性高分子凝膠與金屬導電纖維相結合，制成了柔性生物導體(bio-conductor)。與傳統的柔性導體不同，生物導體成功實現了生物神經系統中的感覺殘留和自適應特性，即當導體受到外部刺激，電信號的變化不是立即響應，而是產生一定的延時效果。生物導體的這種仿生行為歸功于對高分子凝膠基質和金屬纖維組成的導電網絡的精確控制。高分子的松弛行為能有效控制金屬纖維之間的接觸，從而成功實現對導電網絡的有效調節。更重要的是，高分子松弛動力學賦予了生物導體類似于神經系統的自適應特性，使電信號能夠隨著導電路徑的恢復而恢復。有趣的是，信號傳輸可以通過調節高分子凝膠和金屬纖維的參數(包括分子量、溫度、濕度、變形速率、纖維長度等)來進行有效的控制，對不同的環境條件做出相應的反應。此外，本研究還成功建立了一個集成了生物導體、微控制器單元(MCU)和飛行器的機器人系統，以模擬生物神經系統中的信號傳輸、處理和響應。這項工作為軟體機器人和仿生系統提供了一種創新的信息傳輸解決方案，為下一代柔性電子產品提供了新的途徑。
 

　　金屬-高分子復合電子材料是張久洋教授課題組的重要研究方向，主要探索金屬-高分子復合材料在柔性電子、電子器件以及電子化工基礎材料中的科學理論與應用前景。前期相關成果還發表于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等國際著名期刊。論文第一作者為研究生藍靖云；張久洋教授是論文的唯一通訊作者。
 

　　該研究成果得到東南大學化學化工學院、無錫校區和國家自然科學基金(52173249, 21774020)的支持。