[发明专利]一种基于导电纤维素液晶水凝胶的多功能电子皮肤

说明书

本发明涉及一种基于导电纤维素液晶水凝胶的多功能电子皮肤，包括导电纤维素液晶水凝胶、导线和柔性透明保护膜；所述导电纤维素液晶水凝胶封装在柔性透明保护膜中，并在两端插有导线。本发明的基于导电纤维素液晶水凝胶的多功能电子皮肤可对诸如温度、压力、拉力和扭转力等外界刺激做出响应，并将其转化为电学信号与可视化的光学信号。本发明基于导电纤维素液晶水凝胶的多功能电子皮肤既可以通过电学信号对刺激进行定量输出，又可以通过可视化的光学信号对刺激进行定位，且具有耐磨损、成本低廉、可重复利用、多功能、方便可靠等优点，可应用于可视化的用户交互界面领域中。

技术领域

本发明涉及生物材料领域，具体涉及一种基于导电纤维素液晶水凝胶的多功能电子皮肤。

背景技术

皮肤是人体与外部环境之间的物理屏障，它可以将诸如温度、压力、张力和扭曲力之类的外部刺激转换为电信号，大脑会接收这些电信号以生成安全有效的指令。由于其在人造假体、智能机器人、可穿戴设备和医疗诊断等领域的高度适用性，这种多感官功能促使研究人员开发出具有类似响应性的人造柔性电子皮肤。通过掺入不同的导电剂，例如金属、合金、液态金属、离子、半导体和碳纳米材料，已经研制出了许多可以反馈外部刺激信号的电子皮肤。在上述导电剂中，碳纳米管(CNT)由于其优异的导电性、透热性和机械性能而被广泛使用。但是，大多数集成了碳纳米管的柔性电子皮肤都缺乏将数据可视化的功能，因此需要在外部连接电子仪器来处理和显示电信号。此外，这些装置的单一电信号输出难以定位刺激位点，并且容易在干扰下引起误差。上述缺陷极大地限制了含有碳纳米管的电子皮肤的应用范围。

为了赋予电子皮肤数据可视化的特性，可采用智能结构色水凝胶作为支架材料。该材料具有可调节光传播路径的周期性纳米结构。其中，智能响应性高分子聚合物可以为材料提供对于外界刺激的响应性。特别是，当将纤维素液晶与智能水凝胶支架结合使用时，所得到的复合水凝胶可以在特定的纤维素浓度下产生结构色，并且这些颜色在外部刺激下也会随内部纳米结构的改变而发生变化。此外，作为自然界中含量最多的天然高分子，纤维素成本低廉、生物降解性和生物相容性良好，具有很大的研究价值。

因此，在本发明中，我们以智能纤维素液晶水凝胶作为掺杂了碳纳米管的电子皮肤的主材料，设计发明了一种可对多种外界刺激做出响应，并可将刺激信号可视化的新型电子皮肤，可用于健康医疗和生物传感等领域。

发明内容

为了解决目前电子皮肤无法将刺激信号可视化以及定位刺激位点的缺点，本发明提供了一种基于导电纤维素液晶水凝胶的多功能电子皮肤。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种基于导电纤维素液晶水凝胶的多功能电子皮肤，包括导电纤维素液晶水凝胶、导线和柔性透明保护膜；所述导电纤维素液晶水凝胶封装在柔性透明保护膜中，并在两端插有导线。

其制备方法包括以下步骤：

(1)配制导电纤维素液晶水凝胶的前聚体溶液；

(2)将导电纤维素液晶水凝胶的前聚体溶液倒入模具中，通过紫外光进行光聚合；将聚合后的水凝胶从模具中取出，之后在其两端分别插入两根导线并将水凝胶用柔性透明保护膜进行封装。

步骤(1)所述的导电纤维素液晶水凝胶的前聚体溶液由羟丙基纤维素纳米晶、碳纳米管与智能水凝胶的前聚体溶液混合而成；其中，羟丙基纤维素纳米晶的质量分数为50％-70％，碳纳米管的质量分数为0.15％-5％。

步骤(1)所述的智能水凝胶的前聚体溶液选自丙烯酸、丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺和甲基丙烯酸酯明胶中的一种或多种。

步骤(1)所述的导电纤维素液晶水凝胶的前聚体溶液配置后若需储存，需避光储存在4℃的环境温度中，并每周搅拌均匀一次，每次24小时。

步骤(2)所述的柔性透明保护膜材质为聚二甲基硅氧烷PDMS。