研究背景
电子设备自问世以来，已经极大地改变了人们的日常生活方式。最近，计算机和移动电话等电子设备的发展正朝着小型化和灵活性方向发展。此外，由于对人类健康的日益重视、娱乐方式的多样化以及物联网技术的发展，可穿戴和柔性电子器件也引起了广泛关注。与传统的电子设备相比，软性电子器件可以与人体或形状无缝集成，这大大扩展了其在健康监测电子皮肤、人机界面等领域的应用。然而，柔性电子器件的一个问题是物理损坏，如外力造成的裂缝和长期使用造成的老化断裂。即使是延展性高分子材料，在被尖锐物体切割或遭受巨大变形时也会被损坏和断裂。所以功能材料有望被设计和开发来解决这个问题。自我修复材料的出现为这个棘手的问题提供了一个解决方案。在自然界漫长的进化过程中，动物和植物已经获得了自我修复的能力。例如，植物的叶子和动物的皮肤可以在受伤后自我修复，这使得它们能够在恶劣的环境中生存。受自然界的启发，能够在损伤后恢复其物理特性的自愈材料可以被采用来提高软性电子产品的使用寿命。这种独特的功能材料在20世纪80年代被提出，并引起了巨大的关注。自愈过程是通过聚合物链段的动态键交换或超分子相互作用或释放封装的愈合试剂来实现。长期以来，对自愈材料的研究主要集中在机制、制造和表征方面。最近，自愈特性被整合到柔性电子学中，在自愈柔性电子学领域开辟了一条充满希望的道路。这些自愈柔性电子学，包括 OFETS、TENGs、电容器和电子皮肤，已被开发用于各种场景，如应变感应、人体运动监测、能量收集和伤口愈合。
研究成果
受自然界的启发，人们开发了各种自愈材料，这些材料在受到外部损害后可以恢复其物理特性。最近，自愈材料已被广泛用于电子设备中，以提高耐用性，保护设备在运行过程中不发生故障。此外，自愈材料可以整合生物系统的许多其他耐人寻味的特性，如伸展性、机械韧性、粘附性和结构色彩，提供更多迷人的体验。所有这些灵感都吸引了对生物启发的自愈柔性电子的广泛研究。这篇综述对生物启发的自愈性柔性电子学进行了详细的讨论。首先，介绍了两种主要的愈合机制。然后，回顾了柔性电子学中的四类自愈材料，包括绝缘体、半导体、电子导体和离子导体，并总结了其功能、工作原理和应用。最后，介绍了人类启发的自愈材料和动物启发的自愈材料以及它们的应用，如有机场效应晶体管 (OFET)、压力传感器、应变传感器、化学传感器、摩擦纳米发电机(TENG) 和软执行器。相信这一前沿和有前景的领域将激发材料科学、柔性电子学和新型传感器方面更多优秀的交叉学科工作，加速人类运动监测、环境感知、信息传输等方面的应用发展。相关研究以“Bioinspired Self-healing Soft Electronics”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。
图文导读
Figure 1. Schematic diagram of self-healing substances in nature depicted in this review.
Figure 2. Schematic of self-healing mechanisms.
Figure 3. Materials, working mechanisms, and applications of self-healing materials in soft electronics.
Figure 4. Skin-inspired self-healing soft electronics.
Figure 5. Muscle-inspired self-healing soft electronics.
Figure 6. Neuron-inspired self-healing soft electronics.
Figure 7. Mussel-inspired self-healing soft electronics.
Figure 8. Chameleon-inspired self-healing soft electronics.
Figure 9. Other animals-inspired self-healing soft electronics.
Figure 10. The characteristics, possible preparation methods, and applications of bioinspired self-healing soft electronics.
总结与展望
在这篇综述中，详细讨论了生物启发的自愈柔性电子学，从机制和材料到特性。主要有两种自愈机制: 通过封装愈合剂的外在自愈和通过超分子化学或动态键的内在自愈。基于这两种自愈机制，高分子材料及其与导电纳米颗粒或离子液体的复合系统已被设计并实现了自愈软电子，包括绝缘体、半导体、电子导体和离子导体。自然界的生物系统除了自愈性之外还有其他奇妙的特性，激发了许多独特的自愈性柔性电子器件。电子和离子皮肤模仿人类皮肤的伸展性以防止开裂，它们通常被用作应变传感器来监测人类的运动。受人类肌肉拥有的机械韧性的启发，肌肉启发的软电子器件通过模仿肌肉纤维的结构或骨骼肌蛋白的D-A相互作用来实现。神经元通过空间轴突相互沟通，使信号在整个身体内传输。因此，具有优良机械性能和信息传输能力的聚合物和设备得到了启发。河蚌可以将其柔软的身体附着在潮湿的岩石上，以便在激烈的海浪或潮汐中生存，这鼓励了具有粘性的自修复软电子装置。模仿变色龙结构颜色的柔性电子装置在拉伸时具有双信号感应能力，电阻和颜色同时变化。全面讨论了这些领域的典型工作，包括材料合成、装置制造和应用。
自愈能力和其他生物启发特性在软电子学中的结合很有吸引力。然而，尽管这些软性电子产品具有迷人的特性，它们的应用主要集中在应变传感、伤口愈合和TENG 上，而没有充分地利用从生物系统中学到的特性。因此，为特定的应用场景开发自我修复的电子产品是很有前景的。例如，人工肌肉和仿生执行器的设计灵感来自于肌肉的机械韧性，而自愈特性使得现实中的宏观伤害能够完全愈合。贻贝拥有水下粘附和自愈能力。相应地，受贻贝启发的软电子器件可作为可穿戴设备，在运动和出汗时监测人体健康。受变色龙启发的自愈软电子器件可应用于光学伪装，使设备隐藏在周围环境中，在军事和水下探索中具有很好的应用潜力。此外，除了人类运动检测和发电机外，自愈软电子学有望与人工智能(AI)分析系统相结合，用于环境传感。A在促使感知向认知进化方面也很有前景，已被证明可以通过一次触摸区分材料。
生物启发的自愈材料的一个关注点是其机械性能。自愈性能依赖于动态键的交换和可逆的超分子，这需要分子链的良好流动性。这与有助于提高机械韧性的链的刚性相冲突。合理的分子结构设计可以帮助解决这个问题，如结合强和弱的动态键等。整个电子设备在外部损坏后的自愈是另一个挑战。目前，大多数报道的研究集中在电子设备中的一个部件的自愈。关于整个设备的自愈的报道很少，因为它不仅需要所有部件的自愈，还需要不同部件之间有良好的粘合界面。因此，一方面，需要设计和合成更多的自愈功能材料，如导体和半导体。另一方面，需要粘合自愈材料来加强不同部件之间的界面。使用相同的聚合物作为设备各层的基体也是可行的，这可以确保整个系统在使用过程中的机械性能具有良好的兼容性。最后，目前报道的自修复材料主要是通过旋涂或模塑制造的薄膜和纤维，限制了其大规模生产。因此，必须扩大自愈材料的制造方法，如薄膜的挤压成型，纤维的热拉丝技术，甚至纺织品的编织技术。这将有利于将自愈软电子器件引入柔性可穿戴电子器件，这被认为是下一代的信息技术。此外，3D 打印技术已被用于制造具有精确和可设计的器件结构的自愈性柔性电子。值得一提的是，前面提到的薄膜挤压工艺和热纤维拉丝技术要求材料是热塑性的，而3D 打印也有材料的选择性，这取决于打印技术的不同。因此，通过合理的分子设计，在不牺牲自愈能力的前提下满足材料的机械性能，是自愈材料在各种制造方法中应用的关键。对生物启发的自修复软电子学的专门和系统研究有望推动生命科学、有机合成、材料加工、设备制造、环境监测和人工智能方面的工作。它有希望改善电气设备的使用寿命，甚至提供新一代的电子器件。
文献链接
Bioinspired Self-healing Soft Electronics
https://doi.org/10.1002/adfm.202214479.
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