[发明专利]3D打印电容式智能皮肤及其制备方法

说明书

本发明属于功能材料技术领域，具体为一种3D打印电容式智能皮肤及其制备方法。本发明通过自由基共聚制备了一种可熔融水凝胶材料，该水凝胶可以通过3D打印进一步设计成具有高灵敏度的仿生智能皮肤。本发明制备的仿生智能皮肤有希望应用于可穿戴智能设备领域，制备过程操作简便，生产成本低。相比于目前已报道的智能皮肤材料，本发明设计的高灵敏仿生智能皮肤可以进行大面积打印与大规模生产制备，具有广阔的商业应用前景。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种3D打印电容式智能皮肤及其制备方法。

背景技术

近年来，仿生智能皮肤材料的研发受到了广泛关注。一方面，为机器人穿戴仿生智能皮肤，实现模拟人体皮肤的效果，可以使机器人感知不同温度、湿度和触摸刺激，更好地实现人机交互效果；另一方面作为人体的柔性可穿戴设备，可以记录监测人体的健康运动情况，及时提供反馈结果供参考。然而，目前用于制备和生产仿生智能皮肤的材料和技术还相对有限，如何提高仿生皮肤的灵敏度，制备更加接近人体真实皮肤的智能材料，并且实现大规模生产，都是这个领域的巨大机遇和挑战。

迄今在仿生智能皮肤领域，大部分是基于电阻信号的电子皮肤。最近也有人提出通过富含离子的水凝胶等离子导体材料设计基于电容响应的离子皮肤。通常来说，电容式传感器相比电阻式传感器具有更高灵敏度和更低功耗等优点。而且水凝胶材料相比于传统半导体导电膜材料等，更加接近人体真实皮肤效果，具有更好的柔性和可拉伸性，更具有仿生人体皮肤的潜能。2014年在《先进材料》（Adv. Mater. 2014, 26, 7608–7614）上报道，利用氯化钠/聚丙烯酰胺水凝胶作为离子传导层，可拉伸的聚丙烯酸酯胶带作为介电层，制备了一种可拉伸的离子皮肤材料，可以感应拉伸、弯曲、压缩等形变。2015年《先进材料》（Adv. Mater. 2015, 27, 6055–6062）上有人进一步提出，通过离子液体水凝胶作为离子传导层，也可以设计出一种具有快速响应、高单位面积电容的较好灵敏度的离子皮肤，可以用于监测脉搏以及水下测试。但是该报道的离子皮肤的高灵敏度主要体现在较高压力下，至少在1 KPa以上的压力下，电容响应才具有较高的灵敏度，而在较低压力下，其电容响应效果微弱。2016年在《自然通讯》（Nat. Commun. 2016, 7, 12316）上，有报道指出采用特殊支化结构的纳米粒子组装体与水凝胶基体制备的复合电容式材料，可以达到更高灵敏度，甚至超越人体皮肤功能，实现水下声波感知效果，但是该水凝胶组装结构较为复杂，不利于推广实现大规模生产应用。目前基于水凝胶制备的智能皮肤材料，与人体真实皮肤相比还有很大差距，要同时实现高灵敏度与可大规模生产制备还存在诸多困难。

对于上述问题，结合近年来新兴的3D打印，通过分层叠加技术，理论上可以制备具有多孔微结构的水凝胶材料，这将有利于提高电容式仿生皮肤离子传导层的压力响应灵敏度。但是目前3D打印技术适用材料有限，对于材料的流变特性以及固化效果有一定要求，普通水凝胶材料很难通过3D打印技术加工出精确微结构。

基于这些问题，本发明提出了一种适用于3D打印的水凝胶材料， DMA与C18进行共聚制备可熔融的PDMA-co-C18水凝胶材料，通过3D打印制备多孔水凝胶离子传导层，进一步设计成具有高灵敏度的仿生智能皮肤，可以对触摸、脉搏跳动等有效响应。本发明巧妙地利用两种单体共聚，引入可以高温熔融的C18作为物理交联点，所制备的水凝胶材料具有高温熔融低温固化成型的特点，易于打印成多孔结构，极大提高离子传导层的压力响应灵敏度。由于制备过程简单，打印要求易于实现，所制备的仿生皮肤具有极高灵敏度，更加接近人体皮肤真实效果和功能，适合大批量、规模化生产以及具备广泛的商业应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种灵敏度高、打印要求易于实现的3D打印电容式智能皮肤及其制备方法。