科学家研发“机械虹细胞”水凝胶，可用于运动损伤康复和智能设备等领域

材料的应变/应力行为，是影响材料服役性能与失效方式的重要参数。传统方法是用万能试验机来记录样品的应变/应力，但万能试验机对试样的几何尺寸有诸多限制，且难以表征局部应变/应力变化情况。

近年来，学界虽然陆续开发了多种柔性机械传感器，但由于它们制造复杂、输出信号维度单一，高度依赖外加读取设备，仍无法满足现代材料领域的需求。故此，人们一直在寻求一种更简单、高效、便携的应力应变检测设备。

自然界中墨鱼的伪装机理给科学家带来了很大启发。具体来说，墨鱼真皮中的虹细胞能够通过分子结构变化操纵其光学特性，呈现出多种颜色。

那么，是否能设计一种仿生材料，使其在受到外力作用时也可将分子结构变化转化为光学信号，从而实现应力应变的可视化检测呢？

经过不断尝试，一支科研团队开发出一系列含有“机械虹细胞”的水凝胶，可以通过外加载荷变化控制凝胶内部的疏水自组装与超分子序构，改变其光学特性。

将这种材料粘附于待测样品表面，就可使得材料的应力应变变化通过凝胶的颜色改变表现出来。

图 | 水凝胶应变/应力可视化及应用（来源：Advanced Materials）

以丙烯酸和五乙烯六胺制成的凝胶为例，通过裸眼观测、荧光显微镜和扫描电镜，可以很容易地确认可逆的应变辅助相分离和机械虹细胞的形成。

图 | 应变辅助相分离和可逆机械虹细胞的形成（来源：Advanced Materials）

随着应变水平的增加，样品的透射率开始线性下降。当样品受到周期性加载和卸载时，其透射率会在两个固定应变水平之间来回跳动，这表明这款应变响应水凝胶具有良好的稳定性。

在外部刺激下，样品的透光率响应时间可在 0.4 秒内趋于稳定。研究人员对有预裂纹的样品进行拉伸测试，并模拟了试样在不同应变水平下的应变分布，借此验证了应变响应水凝胶能够从宏观尺度观察应变分布。

图 | 受生物启发应变响应水凝胶的特性（来源：Advanced Materials）

利用上述凝胶制备出的应力应变检测贴（NSV patch，Naked-Eye Strain/Stress Visualization patch）柔软而富有弹性，可轻松贴合在不同种材料表面。

水凝胶中的羧基和胺基能够通过氢键、疏水作用等方式与基底表面产生相互作用，从而产生较强的界面结合力和粘附性。

据了解，NSV patch 聚合物网络是通过物理交联建立而来，故其具有很强的自愈合能力，在被切断后可自发愈合并行使正常检测功能。

图 | NSV patch 的自粘性和自愈合性能（来源：Advanced Materials）

NSV patch 可对任意形状基底的应力应变二维分布进行实时检测，检测空间分辨率可达 100 微米以上。

同时，应力应变的变化是以光学信号输出，因此可用裸眼进行直接读取，或者利用手机小程序直接定量分辨。

这种新型的应力应变检测模式有望在材料基础研究、损伤诊断、材料失效风险预测等众多领域发挥巨大作用。

图 | NSV patch 实时应变/应力检测（来源：Advanced Materials）

针对相关论文，审稿人认为本项工作提供了制备下一代柔性机械传感器的新思路，在损伤诊断、风险提示、智能设备领域拥有巨大应用潜力。

同时，这项成果为任意形状基底内的应力应变可视化检测提供了一种新思路，具有非常广泛的应用前景。

例如，对设备装置运行过程的失效风险进行实时提示，对人体运动损伤与康复过程进行检测、以及推动材料复杂机械行为的科学研究等等。

事实上，此次研究源自于一个偶然的发现。研究人员在开发新型超强韧水凝胶的时候，发现一些凝胶在接受力学测试时会显著变色。在好奇心的驱使下他们对这一现象进行了深入研究。

对于利用力致变色仿生水凝胶进行应力应变可视化检测的想法，也是在实验中逐步成型的。在进行配方优化时，他们发现一些水凝胶不但能响应外力变色，还具有很好的自粘性，可以粘附在其他物质上作为指示部件。

在手动处理检测结果时，课题组开始设想：能不能有一种更简便快捷的方式？于是有了对应开发手机小程序的想法，最终促成了这项成果。

最终，相关论文以《柔软、粘性的自愈肉眼疲劳/压力可视化贴片》（）为题发在 Advanced Materials[1]。

图 | 赵治（来源：赵治）

赵治博士是第一作者，北京大学人民医院教授和北京工业大学教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）

目前，他们正在开展相关的后续研究，总体来讲可以分为两部分。一是继续提升 NSV patch 的检测灵敏度、动态范围及稳定性，开发可以商品化的产品。二是在医疗诊断领域发掘 NSV patch 的应用前景。

关于第二部分他们正在和医疗机构开展合作研究，希望能在运动损伤与物理康复训练等方面取得新的成果。

参考资料：

1.Zhao, Z., Liu, J., Wu, M., Yao, X., Wang, H., Liu, X., ... & Song, X. (2023). A Soft, Adhesive Self‐Healing Naked‐Eye Strain/Stress Visualization Patch.Advanced Materials, 2307582.

运营/排版：何晨龙

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