在深海探索和水下作業(yè)領(lǐng)域，機(jī)器和潛水員面臨著諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：操作靈活性受限、設(shè)備易受損、電力供應(yīng)緊張。生物皮膚擁有一種至關(guān)重要的感知功能——傷害感受（nociception），它不僅能讓生物體感知疼痛刺激，還能在受傷后啟動(dòng)自我修復(fù)機(jī)制。然而，現(xiàn)有的柔性電子設(shè)備大多將痛覺與觸覺感知耦合在單個(gè)傳感器中，不僅難以準(zhǔn)確區(qū)分刺激類型，更缺乏自主修復(fù)能力。這種技術(shù)空白嚴(yán)重制約了水下軟體電子設(shè)備的可靠性與使用壽命。

針對(duì)這一難題，新加坡國(guó)立大學(xué)陳毓君、Zhang Xuan課題組開發(fā)出了一種具備自我修復(fù)能力的磁電傳感系統(tǒng)（SMES）。這種創(chuàng)新的多層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)獨(dú)特地整合了自供電觸覺與接近傳感、損傷檢測(cè)以及自主修復(fù)功能，可在空氣與水下環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。SMES 采用自愈合彈性體與液態(tài)金屬圖案化導(dǎo)體構(gòu)建，能夠檢測(cè)并修復(fù)來(lái)自針刺、穿刺和切割等機(jī)械損傷，同時(shí)保持穩(wěn)定的功能性。該系統(tǒng)展現(xiàn)了良好的靈敏度、快速響應(yīng)能力以及在空氣和水中的魯棒耐久性。相關(guān)論文以“A Self-Healing Magnetoelectric Sensor with Pain Sensing for Underwater Soft Electronics”為題，發(fā)表在Advanced Materials上。

SMES 采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括頂部的損傷反饋層、電磁感應(yīng)線圈層、間隔層和底部的磁性層。頂部損傷傳感器專門用于損傷檢測(cè)與自我修復(fù)，而下方三層則共同構(gòu)成自供電的接近與觸覺傳感器。研究團(tuán)隊(duì)使用了一種由聚偏氟乙烯-共聚六氟丙烯、離子液體和交聯(lián)劑組成的自愈合彈性體作為封裝材料，并采用液態(tài)金屬鎵銦合金作為自愈合導(dǎo)體。通過三維打印的犧牲模板技術(shù)，研究人員能夠制備出各種圖案化的液態(tài)金屬電路。掃描電鏡圖像顯示，液態(tài)金屬導(dǎo)線直徑約為 250 微米，且元素分析證實(shí)了液態(tài)金屬與彈性體在整個(gè)結(jié)構(gòu)中的均勻分布。令人印象深刻的是，該彈性體在 50°C 下經(jīng)過三天愈合后，展現(xiàn)出了優(yōu)異的可拉伸性和自修復(fù)能力。與近年來(lái)報(bào)道的其他水下傳感器相比，SMES 首次將設(shè)備自愈合、可拉伸彈性、自供電觸覺與接近傳感以及損傷反饋這五大功能集于一體。

圖1 | 一種用于水下軟體電子設(shè)備的、具備集成損傷感知能力的兩棲自愈合磁電系統(tǒng) (a) 封裝在自愈合彈性體中的多層SMES結(jié)構(gòu)示意圖，專為水下軟體電子設(shè)備設(shè)計(jì)。SMES既可用于可穿戴智能手套實(shí)現(xiàn)無(wú)線非接觸交互，也可用于機(jī)器人手實(shí)現(xiàn)帶損傷反饋的機(jī)械感受。 (b) 損傷傳感器和 (c) 自供電接近與觸覺傳感器的光學(xué)照片，兩者均展示出自愈合能力。 (d) 封裝在自愈合彈性體中的EGaIn導(dǎo)線的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖像及對(duì)應(yīng)的元素分析，(e) 單根EGaIn導(dǎo)線的橫截面視圖。 (f) 損傷傳感器在50°C下的機(jī)械自愈合性能。 (g) SMES與近年來(lái)報(bào)道的水下軟體傳感器[16-30]的對(duì)比，突出其多功能優(yōu)勢(shì)。

在機(jī)械性能與自愈合方面，含有 0.5 wt.% 交聯(lián)劑的自愈合彈性體在 50% 至 300% 的不同應(yīng)變條件下均表現(xiàn)出卓越的彈性。交聯(lián)劑的加入使彈性恢復(fù)率提升了近 30%，達(dá)到 92%，且即使在 500% 應(yīng)變釋放后也能在約 3 秒內(nèi)完全恢復(fù)。重要的是，這種高彈性恢復(fù)在水下環(huán)境中同樣得以保持。該彈性體在室溫下的空氣和水中均具備自愈合能力，且在加熱條件下愈合效率顯著提高：在空氣中愈合七天后效率達(dá) 82.4%，而在水下愈合十天后效率接近 100%。剝離測(cè)試進(jìn)一步表明，愈合后的雙層彈性體具有較高的界面強(qiáng)度，確保了設(shè)備的結(jié)構(gòu)完整性。

關(guān)于損傷反饋與自我修復(fù)功能，當(dāng)頂部損傷傳感器受到注射器針頭以不同速度和力度刺入時(shí)，其電阻會(huì)迅速增加，隨后無(wú)需外部干預(yù)即可自主恢復(fù)到初始性能。重度“刺痛”引起的電阻變化（千歐級(jí)別）大于輕度損傷（歐姆級(jí)別）。有趣的是，刺入速度并不影響電阻變化的幅度，僅影響其自我恢復(fù)時(shí)間。該傳感器在受到鑷子和刀尖等其他尖銳物體損傷時(shí)，同樣能夠快速自主修復(fù)。當(dāng)遭受穿刺和輕微切割損傷時(shí)，傳感器在外部機(jī)械壓力的輔助下也能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效自修復(fù)。經(jīng)過七天室溫自愈合后，傳感器甚至能夠承受循環(huán)的大幅拉伸變形。

圖2 | 自愈合彈性體的機(jī)械性能與損傷傳感器的電自修復(fù)性能 (a) 含0.5 wt.% HMDA的自愈合彈性體在循環(huán)拉伸下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 (b) 不含HMDA與含0.5 wt.% HMDA的自愈合彈性體的彈性恢復(fù)率對(duì)比。 (c,d) 在空氣和水中不同愈合時(shí)間下的自愈合效率。 (e) 損傷傳感器在快速與慢速、重度與輕度針刺下的電阻變化及自主修復(fù)響應(yīng)。 (f) 損傷傳感器在穿刺和切割損傷后的電自修復(fù)性能。 (g) 切割損傷后傳感器在循環(huán)小應(yīng)變拉伸下的應(yīng)變傳感性能。

在自供電傳感機(jī)制方面，SMES 基于法拉第電磁感應(yīng)原理工作。當(dāng)兩個(gè)設(shè)備非接觸地靠近時(shí)，磁通量的變化會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生電壓。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)非接觸距離從 1 毫米增加到 20 毫米時(shí)，輸出電壓呈指數(shù)級(jí)下降。而在固定距離下，運(yùn)動(dòng)位移對(duì)電壓輸出影響甚微，輸出主要受相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度控制：運(yùn)動(dòng)速度越高，產(chǎn)生的電壓越大。線圈匝數(shù)直接影響有效面積，從而正向調(diào)節(jié)電壓輸出。在觸覺傳感模式下，當(dāng)外部壓力施加時(shí)，中間間隔層被壓縮，減小了線圈與內(nèi)置磁鐵之間的距離，從而改變磁通量并誘導(dǎo)產(chǎn)生電信號(hào)。該傳感器的靈敏度可通過調(diào)整間隔層的寬度和高度來(lái)調(diào)節(jié)，在低壓區(qū)的靈敏度可達(dá) 0.39 kPa?1。值得注意的是，頂部損傷反饋層的加入不僅沒有削弱低壓區(qū)的靈敏度，反而顯著提高了傳感器對(duì)高達(dá) 250 kPa 壓力的耐受能力，起到了保護(hù)層的作用。該傳感器還展現(xiàn)了快速響應(yīng)（約 41 毫秒）和恢復(fù)時(shí)間（約 64 毫秒），并在 10,000 次循環(huán)加載-卸載測(cè)試以及 10 天水浸后仍保持穩(wěn)定的輸出性能。

圖3 | SMES的自供電接近與觸覺傳感能力 (a) 接近傳感實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，展示了影響輸出性能的關(guān)鍵參數(shù)：非接觸距離(d)、運(yùn)動(dòng)位移(L)和運(yùn)動(dòng)頻率(f)。 (b) 接近傳感過程中EGaIn線圈表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布計(jì)算結(jié)果。 (c-e) 接近傳感器在不同非接觸距離、運(yùn)動(dòng)位移和運(yùn)動(dòng)頻率下的電壓輸出。 (f) 不同線圈匝數(shù)傳感器對(duì)輸出電壓的影響。 (g) 觸覺傳感模式下線圈表面法向磁場(chǎng)矢量強(qiáng)度的變化計(jì)算結(jié)果。 (h) 觸覺傳感器在不同外加壓力下的輸出電壓。 (i) 歸一化輸出電壓隨外加壓力的變化曲線，展示了SMES的觸覺靈敏度。

研究團(tuán)隊(duì)還展示了兩種實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。首先，他們開發(fā)了一款智能潛水手套，用于水下無(wú)線接近通信。該手套在每根手指的掌心側(cè)集成了 SMES，在手背側(cè)安裝了 LED 和印刷電路板。當(dāng)兩根手指非接觸靠近時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生自供電電信號(hào)，經(jīng)放大處理后通過藍(lán)牙模塊無(wú)線傳輸至智能手機(jī)。五種不同的手勢(shì)（如手指間接近或滑動(dòng)）產(chǎn)生獨(dú)特的電壓輸出曲線，分別對(duì)應(yīng)“正常”、“保持”、“上升”、“下降”和“求助”等指令。當(dāng)頂部損傷傳感器檢測(cè)到嚴(yán)重?fù)p傷風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，紅色 LED 會(huì)實(shí)時(shí)亮起作為視覺警告。其次，研究團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了一個(gè)配備 SMES 的機(jī)器人手，用于水下機(jī)械感受與損傷反饋。三顆 LED（綠、黃、紅）分別指示正常、輕微損傷和嚴(yán)重?fù)p傷狀態(tài)。電阻變化低于 150 kΩ 時(shí)觸發(fā)黃燈，表示可自主修復(fù)的輕微損傷；而電阻超過 150 kΩ 時(shí)則激活紅燈，表示需要人工干預(yù)的嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損傷。實(shí)驗(yàn)中，抓取光滑物體時(shí)傳感器正常工作，產(chǎn)生兩個(gè)電信號(hào)峰；而受到尖銳物體嚴(yán)重?fù)p傷后，卸載峰消失，僅剩一個(gè)加載峰，表明短期恢復(fù)失敗。

圖4 | 基于SMES的智能潛水手套用于水下無(wú)線接近通信 (a) 集成了自供電接近傳感、無(wú)線通信和實(shí)時(shí)嚴(yán)重?fù)p傷檢測(cè)的可穿戴智能手套在水下操作時(shí)的示意圖。 (b,c) 手套正面和背面的光學(xué)照片。 (d) 手指上SMES對(duì)應(yīng)不同手勢(shì)的電壓輸出。 (e) 兩種水下場(chǎng)景下智能手機(jī)顯示的來(lái)自SMES的無(wú)線信號(hào)：(i) 拇指-食指接近；(ii) 拇指依次滑過中指和食指。 (f) SMES在水下遭受嚴(yán)重?fù)p傷時(shí)的實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)警示過程。

圖5 | 配備SMES的機(jī)器人手用于水下機(jī)械感受與視覺損傷反饋 (a) 水下機(jī)器人執(zhí)行運(yùn)送任務(wù)的示意圖，機(jī)器人手配備SMES和LED，實(shí)現(xiàn)自供電機(jī)械感受與視覺損傷反饋。 (b) SMES損傷機(jī)制示意圖。 (c) 機(jī)器人手的水下操作：(i, ii) 抓取并運(yùn)送光滑石頭和螺殼；(iii, iv) 被尖銳貝殼造成輕微損傷后快速自修復(fù)；(v) 被貝殼造成嚴(yán)重?fù)p傷。 (d,e) 分別為(c)中各情況下SMES的電阻和電壓輸出變化。

該研究成功展示了一種適用于空氣和水下環(huán)境的多層自愈合磁電傳感系統(tǒng)，其頂層損傷傳感器能夠有效檢測(cè)和修復(fù)多種機(jī)械損傷，下層自供電傳感器則具備良好的靈敏度、快速響應(yīng)和長(zhǎng)期耐久性。這一多功能設(shè)計(jì)可顯著提升水下非接觸與接觸交互的可靠性，有望推動(dòng)水下人機(jī)交互、軟體機(jī)器人和電子皮膚領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，SMES 系統(tǒng)將為實(shí)現(xiàn)像活體皮膚一樣能夠感知和愈合的下一代水陸兩棲軟體機(jī)器奠定重要基礎(chǔ)。