新國大AM：新型自愈合磁電傳感器，為水下軟體電子設備賦予“痛覺”與自我修復能力

在深海探索和水下作業領域，機器和潛水員面臨著諸多嚴峻挑戰：操作靈活性受限、設備易受損、電力供應緊張。生物皮膚擁有一種至關重要的感知功能——傷害感受（nociception），它不僅能讓生物體感知疼痛刺激，還能在受傷后啟動自我修復機制。然而，現有的柔性電子設備大多將痛覺與觸覺感知耦合在單個傳感器中，不僅難以準確區分刺激類型，更缺乏自主修復能力。這種技術空白嚴重制約了水下軟體電子設備的可靠性與使用壽命。

針對這一難題，新加坡國立大學陳毓君、Zhang Xuan課題組開發出了一種具備自我修復能力的磁電傳感系統（SMES）。這種創新的多層結構系統獨特地整合了自供電觸覺與接近傳感、損傷檢測以及自主修復功能，可在空氣與水下環境中穩定運行。SMES 采用自愈合彈性體與液態金屬圖案化導體構建，能夠檢測并修復來自針刺、穿刺和切割等機械損傷，同時保持穩定的功能性。該系統展現了良好的靈敏度、快速響應能力以及在空氣和水中的魯棒耐久性。相關論文以“A Self-Healing Magnetoelectric Sensor with Pain Sensing for Underwater Soft Electronics”為題，發表在Advanced Materials上。

SMES 采用多層結構設計，包括頂部的損傷反饋層、電磁感應線圈層、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與自我修復，而下方三層則共同構成自供電的接近與觸覺傳感器。研究團隊使用了一種由聚偏氟乙烯-共聚六氟丙烯、離子液體和交聯劑組成的自愈合彈性體作為封裝材料，并采用液態金屬鎵銦合金作為自愈合導體。通過三維打印的犧牲模板技術，研究人員能夠制備出各種圖案化的液態金屬電路。掃描電鏡圖像顯示，液態金屬導線直徑約為 250 微米，且元素分析證實了液態金屬與彈性體在整個結構中的均勻分布。令人印象深刻的是，該彈性體在 50°C 下經過三天愈合后，展現出了優異的可拉伸性和自修復能力。與近年來報道的其他水下傳感器相比，SMES 首次將設備自愈合、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備的、具備集成損傷感知能力的兩棲自愈合磁電系統 (a) 封裝在自愈合彈性體中的多層SMES結構示意圖，專為水下軟體電子設備設計。SMES既可用于可穿戴智能手套實現無線非接觸交互，也可用于機器人手實現帶損傷反饋的機械感受。 (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導線的場發射掃描電鏡圖像及對應的元素分析，(e) 單根EGaIn導線的橫截面視圖。 (f) 損傷傳感器在50°C下的機械自愈合性能。 (g) SMES與近年來報道的水下軟體傳感器[16-30]的對比，突出其多功能優勢。

在機械性能與自愈合方面，含有 0.5 wt.% 交聯劑的自愈合彈性體在 50% 至 300% 的不同應變條件下均表現出卓越的彈性。交聯劑的加入使彈性恢復率提升了近 30%，達到 92%，且即使在 500% 應變釋放后也能在約 3 秒內完全恢復。重要的是，這種高彈性恢復在水下環境中同樣得以保持。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 82.4%，而在水下愈合十天后效率接近 100%。剝離測試進一步表明，愈合后的雙層彈性體具有較高的界面強度，確保了設備的結構完整性。

關于損傷反饋與自我修復功能，當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，其電阻會迅速增加，隨后無需外部干預即可自主恢復到初始性能。重度“刺痛”引起的電阻變化（千歐級別）大于輕度損傷（歐姆級別）。有趣的是，刺入速度并不影響電阻變化的幅度，僅影響其自我恢復時間。該傳感器在受到鑷子和刀尖等其他尖銳物體損傷時，同樣能夠快速自主修復。當遭受穿刺和輕微切割損傷時，傳感器在外部機械壓力的輔助下也能在短時間內實現有效自修復。經過七天室溫自愈合后，傳感器甚至能夠承受循環的大幅拉伸變形。

圖2 | 自愈合彈性體的機械性能與損傷傳感器的電自修復性能 (a) 含0.5 wt.% HMDA的自愈合彈性體在循環拉伸下的應力-應變曲線。 (b) 不含HMDA與含0.5 wt.% HMDA的自愈合彈性體的彈性恢復率對比。 (c,d) 在空氣和水中不同愈合時間下的自愈合效率。 (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響應。 (f) 損傷傳感器在穿刺和切割損傷后的電自修復性能。 (g) 切割損傷后傳感器在循環小應變拉伸下的應變傳感性能。

在自供電傳感機制方面，SMES 基于法拉第電磁感應原理工作。當兩個設備非接觸地靠近時，磁通量的變化會誘導產生電壓。實驗表明，當非接觸距離從 1 毫米增加到 20 毫米時，輸出電壓呈指數級下降。而在固定距離下，運動位移對電壓輸出影響甚微，輸出主要受相對運動速度控制：運動速度越高，產生的電壓越大。線圈匝數直接影響有效面積，從而正向調節電壓輸出。在觸覺傳感模式下，當外部壓力施加時，中間間隔層被壓縮，減小了線圈與內置磁鐵之間的距離，從而改變磁通量并誘導產生電信號。該傳感器的靈敏度可通過調整間隔層的寬度和高度來調節，在低壓區的靈敏度可達 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的靈敏度，反而顯著提高了傳感器對高達 250 kPa 壓力的耐受能力，起到了保護層的作用。該傳感器還展現了快速響應（約 41 毫秒）和恢復時間（約 64 毫秒），并在 10,000 次循環加載-卸載測試以及 10 天水浸后仍保持穩定的輸出性能。

圖3 | SMES的自供電接近與觸覺傳感能力 (a) 接近傳感實驗裝置示意圖，展示了影響輸出性能的關鍵參數：非接觸距離(d)、運動位移(L)和運動頻率(f)。 (b) 接近傳感過程中EGaIn線圈表面的磁感應強度分布計算結果。 (c-e) 接近傳感器在不同非接觸距離、運動位移和運動頻率下的電壓輸出。 (f) 不同線圈匝數傳感器對輸出電壓的影響。 (g) 觸覺傳感模式下線圈表面法向磁場矢量強度的變化計算結果。 (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。

研究團隊還展示了兩種實際應用場景。首先，他們開發了一款智能潛水手套，用于水下無線接近通信。該手套在每根手指的掌心側集成了 SMES，在手背側安裝了 LED 和印刷電路板。當兩根手指非接觸靠近時，系統產生自供電電信號，經放大處理后通過藍牙模塊無線傳輸至智能手機。五種不同的手勢（如手指間接近或滑動）產生獨特的電壓輸出曲線，分別對應“正?！?、“保持”、“上升”、“下降”和“求助”等指令。當頂部損傷傳感器檢測到嚴重損傷風險時，紅色 LED 會實時亮起作為視覺警告。其次，研究團隊還設計了一個配備 SMES 的機器人手，用于水下機械感受與損傷反饋。三顆 LED（綠、黃、紅）分別指示正常、輕微損傷和嚴重損傷狀態。電阻變化低于 150 kΩ 時觸發黃燈，表示可自主修復的輕微損傷；而電阻超過 150 kΩ 時則激活紅燈，表示需要人工干預的嚴重結構損傷。實驗中，抓取光滑物體時傳感器正常工作，產生兩個電信號峰；而受到尖銳物體嚴重損傷后，卸載峰消失，僅剩一個加載峰，表明短期恢復失敗。

圖4 | 基于SMES的智能潛水手套用于水下無線接近通信 (a) 集成了自供電接近傳感、無線通信和實時嚴重損傷檢測的可穿戴智能手套在水下操作時的示意圖。 (b,c) 手套正面和背面的光學照片。 (d) 手指上SMES對應不同手勢的電壓輸出。 (e) 兩種水下場景下智能手機顯示的來自SMES的無線信號：(i) 拇指-食指接近；(ii) 拇指依次滑過中指和食指。 (f) SMES在水下遭受嚴重損傷時的實時風險警示過程。

圖5 | 配備SMES的機器人手用于水下機械感受與視覺損傷反饋 (a) 水下機器人執行運送任務的示意圖，機器人手配備SMES和LED，實現自供電機械感受與視覺損傷反饋。 (b) SMES損傷機制示意圖。 (c) 機器人手的水下操作：(i, ii) 抓取并運送光滑石頭和螺殼；(iii, iv) 被尖銳貝殼造成輕微損傷后快速自修復；(v) 被貝殼造成嚴重損傷。 (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境的多層自愈合磁電傳感系統，其頂層損傷傳感器能夠有效檢測和修復多種機械損傷，下層自供電傳感器則具備良好的靈敏度、快速響應和長期耐久性。這一多功能設計可顯著提升水下非接觸與接觸交互的可靠性，有望推動水下人機交互、軟體機器人和電子皮膚領域的進一步發展。研究團隊認為，SMES 系統將為實現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器奠定重要基礎。