Одна из важнейших проблем современной мягкой робототехники и биоэлектроники — создание тактильных механизмов. Материалы, имитирующие чувствительность и мягкость человеческой кожи, обычно изготавливают на основе гидрогелей или ионогелей. Они способны преобразовывать механические деформации в электрические сигналы.
Несмотря на прогресс в этой области, выраженный в концепции «ионной кожи», практическое применение таких сенсоров остается ограниченным. Главная трудность в том, что роботизированные системы, в отличие от человека, часто работают в экстремальных и переменчивых условиях: при циклических нагрузках, в вакууме, под водой, в среде органических растворителей и при резких перепадах температур.
В таких обстоятельствах ионные гели склонны к двум критическим отказам: росту усталостных трещин от многократных деформаций и нестабильности сигнала из-за обезвоживания, замерзания или вымывания ионной жидкости. Двойные сетки, введение наночастиц и другие методы структурного упрочнения и даже создание внешних герметичных оболочек не решили проблему воздействия внешней среды.
Коллектив ученых из Китая предложил принципиально новый подход, создав самогерметизирующуюся нановолокнистую ионную кожу. Они предложили не просто склеивать различные слои оболочки, а сформировать взаимосвязанную архитектуру. Согласно новой технологии, сначала изготавливается тончайшая наносетка из полиуретанового ионогеля, пропитанного гидрофобной ионной жидкостью.
Эта жесткая, но растяжимая сетка служит и проводящим каркасом, и силовым элементом. Затем ее интегрируют в мягкую, слегка сшитую матрицу, которая обеспечивает липкость и податливость, позволяя сенсору принимать форму даже сложных поверхностей, таких как сморщенная человеческая кожа. Сверху же наносится химически инертный полимер.
За счет капиллярного проникновения и контролируемого отверждения раствор прочно закрепляется на пористой поверхности наносетки, создавая топологический «замок» без четкой границы раздела, свойственной традиционным методам. Результаты исследования опубликовали в журнале Nature Communications.
Эксперименты показали, что материал имеет рекордный порог усталостных характеристик, позволяя выдерживать более 50 000 циклов растяжения до 200% без разрушения. При этом, как и природная кожа, материал мягкий в начальном состоянии, но резко упрочняется при растяжении, до 59 раз, что предотвращает локальные повреждения.
Кроме того, благодаря низкой летучести ионной жидкости и герметизирующему слою ионная кожа сохраняет стабильность массы, механических свойств и электрического сигнала при последовательном экстремальном воздействии. Он смог выдержать пребывание в вакууме, в солевом растворе, а также нагревание до 200 °C.
Более того, фторированный верхний слой делает датчик практически нечувствительным к каплям органических растворителей, в то время как аналоги выдают мощный ложный сигнал. Эта разработка задает инженерный принцип механического «сшивания» слоев кожи, который решает фундаментальную проблему расслоения композитов.