研究背景 对环境信息的感知对所有水生生物和探索活动都是至关重要的。目前，已有的水下探测方法主要依靠获取和处理视觉和声学信号，类似于人类的感觉。然而，在水生环境中，视觉线索有时会受到透光性差和不可预测的水浊度的强烈影响。声学探测，也被称为声纳，既不能揭示近场物体的详细特征，也不能捕捉某些周围信息，包括接触压力、深度、温度和盐度。鉴于上述限制，水下触觉传感因其有可能收集全面的物理信息，包括接触力、振动、触觉映射、温度等，而受到越来越多的关注。新兴的电子皮肤方法，通过模仿人类皮肤的触觉和机械灵活性，最近成为一个非常活跃的研究课题，并可能有希望满足广泛的水生传感需求，如潜水员的可穿戴健康监测，机器人爪子的力控制，自然物体的触觉识别，以及水生动物的生物力学分析。然而，由于一系列的技术障碍，现有的电子皮肤技术还不能满足这些关键的水下需求。首先，与空气中的记录相比，除了接触压力和触觉映射外，还需要监测水下环境中的额外水文参数，包括深度、温度和盐度，以应对复杂的水生环境。通过采用目前的传感策略，在一个简单的设备结构下建立这样全面的多模式传感能力仍然具有挑战性。其次，水生介质的离子传导性，特别是海水，可能会导致电干扰、短路以及电化学腐蚀。因此，额外的防水封装成为必要，以保护电子元件免受水损害。然而，这样的包装结构将不可避免地影响设备的尺寸、灵活性和灵敏度，此外还有潜在的泄漏故障风险。另一个突出的问题源于水压，取决于水面下的垂直距离，它可以影响精细触觉测量的准确性和分辨率。虽然水力平衡设计，包括内部密封不导电的液体，可以缓解这个问题，但这种设计的专用结构将进一步提升额外封装带来的问题。最后，环境温度和盐度的波动也会对测量分辨率和精度产生不利影响，导致系统偏差难以补偿。 研究成果对信息的感知对水上活动至关重要;然而，复杂的水下情况面临着独特的技术挑战需要解决。因此，中国科学技术大学与中国科学院深圳先进技术研究院合作研发了全球首个应用于水下场景的多模态电子皮肤，首次实现了水下触觉信号和环境信号的一体化监测，创新性地提出了接触压、触觉图像、温度、深度和盐度的多模态传感方式。这一切都通过多模态离子传感原理在一个一体化的结构配置中实现，简化了传感器的设计、材料制备、设备制造和信号处理。利用互补的弹性体-电极和环境电极界面，开发了一种反式离子电子传感机制，用于具有特殊分辨率和水力平衡的接触压力检测。此外，还开发了一种具有可调节表面形态的疏水离子凝胶，作为所有单元的功能传感层，具有长期稳定性。因此，水生皮肤可以实现亚帕斯卡级的接触压力检测分辨率(0.59 Pa)，以及在更大的深度范围内(0-40 m)实现亚毫米级的触觉映射空间分辨率(522 pts cm-2)，而环境的影响可以通过自我补偿过程自发消除。水生皮肤被应用于几个有代表性的水下场景，包括生命/环境信号的实时监测，生物的触觉识别，以及鱼类游泳的生物力学分析。相关研究以“Aquatic Skin Enabled by Multi-Modality Iontronic Sensing”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员程玙博士与中国科大硕士研究生郭晨辉为论文共同第一作者，中国科学技术大学苏州高等研究院潘挺睿教授和常煜研究员为该文章通讯作者。 研究亮点1. 利用水生环境和导电表面之间的自然离子界面，首次提出了一种包含水下环境的触觉感应策略，在一个设备结构中集成了多模式的感应能力，包括接触压力、触觉映射、深度、温度和盐度。2. 开发了一种在不同区域具有可调节表面形态的水生稳定的离子凝胶弹性，体具有长时间(超过10天)的几何、机械和电气稳定性。3. 可穿戴式水生皮肤可扩展用于监测潜水活动的健康信息和环境条件，实现水下机器人的精细力控制和物体识别，以及通过生物力学检测分析水生生物的运动。 图文导读 Figure 1. The operational principle of the aquatic skin.Figure 2. Material properties of the ionically active layer.Figure 3. The sensing performance of the aquatic skin.Figure 4. a) The capacitance-to-hydraulic pressure response of the standard ISU (sample size n = 3 for capacitance measurements, all values plotted as mean ± standard deviation (SD)), b) the hydraulic pressure resolution of the standard ISU, c) the capacitance-to-temperature response of the material ISU, d) the capacitance-to-salinity curves of the environmental ISU at different temperatures (sample size n = 3 for capacitance measurements, all values plotted as mean ± standard deviation (SD)), e) the capacitance variation-to-contact pressure curves of the inverse ISU at different temperatures and f) the curves after self-compensation, g) the capacitance variation-to-contact pressure curves of the inverse ISU under different water salinities and h) the curves after self-compensation.Figure 5. Aquatic skin for monitoring of vital signs and environmental conditions.Figure 6. Multi-modality tactile sensing for underwater robotics.Figure 7. Wearable biomechanical tagging for aquatic lives. 文献链接Aquatic Skin Enabled by Multi-Modality Iontronic Sensing, Adv. Funct. Mater. 2022， 2205947DOI: 10.1002/adfm.202205947推荐阅读MXene/PANI泡沫的三维多孔结构用于高性能柔性压力传感器气体传感器最新综述：基于金属氧化物半导体的柔性室温气体传感器的最新进展ACS Nano：柔性聚集诱导发射活性水凝胶用于现场监测杀虫剂降解 超薄水凝胶薄膜用于可呼吸的电子皮肤 用于柔性电路光刻转移印刷的热和紫外光自适应聚氨酯弹性体 视频号：#柔性电子那些事