上海科大凌盛杰教授AM气流辅助电纺丝设计阻燃报警离子电子皮肤

　　随着信息技术的发展，人工智能机器人已从科幻小说走进现实生活。作为智能机器人重要组成部分的电子皮肤也受到关注。在众多材料中，纳米纤维材料因具有结构设计性强、超薄灵活、透气性好等特点，在电子皮肤领域表现出良好的应用前景，但目前制备纳米纤维材料所采用的静电纺丝方法面临产量过低以及材料环保性能差等问题。
　　基于此，上海科技大学物质学院凌盛杰教授 和塔夫茨大学（Tufts University）大学David L. Kaplan教授 及东北林业大学陈文帅教授 合作在基于蚕丝蛋白纳米纤维的离子导体皮肤上取得进展：通过采用高效的气流辅助静电纺丝方法 制备出了具有优异阻燃效应和火情预警功能的蚕丝纳米纤维/石墨烯多功能电子皮肤。该成果以＂Electro-Blown Spun Silk/Graphene Nano-Ionotronic Skin for Multifunctional Fire Protection and Alarm＂为题，在学术期刊Advanced Materials上在线发表。
　　课题组以天然丝蛋白与石墨烯为原材料，通过高效的气流辅助静电纺丝方式制备了由丝蛋白纳米纤维离子导体和石墨烯片共同构成了多级结构的电子皮肤。与一般静电纺丝方法显著不同的是，论文中介绍的方法受溶液导电性影响较小，可实现高盐离子含量聚合物的纺丝，且对纤维聚集体的结构具有较好的操控性，其纺丝效率通常可达到普通电纺丝的5-10倍。
　　基于蚕丝蛋白纳米纤维的离子导体电子皮肤设计
　　气流辅助式电纺丝方法所制备的电子皮肤具有良好的力学性能和可拉伸性能，且其具有湿度响应的自黏附性能，可贴附于各种物体表面，如纤维素纸、PET板、木头等，显示出很好的黏附牢度。同时，基于凌盛杰课题组之前对丝蛋白基离子导体防火功能的研发工作, 这种纳米纤维离子导体皮肤同样展现出非常好的阻燃特性。
　　丝蛋白电子皮肤的贴辅阻燃效果（未贴敷保护的部分在遇火后则直接燃烧）
　　不同与普通的阻燃材料的是，这类电子皮肤具有良好的温湿度变化响应。将其接入电信号测试系统，在遇明火接触的时候，有效阻止火焰蔓延、迅速且稳定传递出特征信号，从而达到防护与预警同步的功能。由此开发了一套具有本地-云端-移动终端联动的火情预警系统，材料可在接触火焰后2秒内迅速触发报警机制，实现三终端同时报警的功能。此外，可将所制备的电子皮肤集成于机器人手部，在遇到火情刺激时激发机器人的自我保护机制，使其做出撤手等一系列规避危险的动作。
　　纳米纤维离子导体皮肤的阻燃及预警功能概念设计
　　2020年6月，凌盛杰教授 在《ACS Materials Letters》发表了题为＂Flame-Retardant and Sustainable Silk Ionotronic Skin for Fire Alarm Systems＂的科研成果的中，作者就报道了利用天然蚕丝研发防火预警功能离子皮肤。
　　研究以天然丝素蛋白（SF）和钙离子为原料，通过不同的合成策略，制备出一种透明、可拉伸、可自修复、高生物安全、可阻燃且导电的离子皮肤材料i-skin：SF/Ca2+ i-skins (SFCIS)，并开发了一种在极端条件（火灾）下可以通过无线信号传递预警信息的报警系统。
　　SFCIS制备方法简单，可大规模应用生产。SFCIS本身具有高透明性和良好的柔性，通过调控钙离子含量可以控制SFCIS在不同环境中的力学性能。高湿度环境中，SFCIS具有很好的粘附性和自愈性能。也可达到在不同温度和湿度下良好的可拉伸性质，伸长率高达1200%，匹配力学模量与生物组织模量相当，同时导电性可达1.96 mS·cm-1，以满足可穿戴器件的需求。在材料暴露在火灾环境下时，使材料表面在接触火焰的第一时间吸热、气化，并迅速形成膨胀，对内部基底形成保护。
　　因此，相关工作补充了近年来可穿戴设备防火安全性研究中的欠缺，并为人工皮肤的设计提供新的灵感。
　　参考文献：
　　1. Leitao Cao, et al., Electro-Blown Spun Silk/Graphene Nanoionotronic Skin for Multifunctional Fire Protection and Alarm, Adv. Mater., 2102500, DOI: 10.1002/adma.202102500
　　2. Qiang Liu, et al., Flame-Retardant and Sustainable Silk Ionotronic Skin for Fire Alarm Systems, ACS Materials Lett. 2020, 2, 7, 712–720, DOI: 10.1021/acsmaterialslett.0c00062