2023级博士生朱凯的研究成果“设计HOF基仿生发光皮肤，用于水流及水下震动双模感知”，发表于Materials Today。
深海作为地球上最后的未开发疆域之一，其绝大部分区域仍处于未知状态。因此，水下传感技术在海洋勘探中具有关键作用，其中水流传感有助于水资源管理与目标探测，振动传感则可用于水下灾害预警及军事防御等应用。然而，海洋与陆地环境之间的巨大差异对传统传感器的部署提出了严峻挑战。仿生发光皮肤（L-skin）以柔性材料构建，能够模拟生物皮肤的结构与功能，通过光学原理感知振动、压力、温度、湿度、环境条件、物体形状与尺寸等多种参数。在水下环境中，L-skin基于光信号传输，具备更低的传播损耗，相较于电子皮肤（E-skin），展现出更高的稳定性和更优的灵敏度。氢键有机框架（HOF）基弹性体薄膜具有优异的弹性、柔韧性、发光性能、刺激响应性以及多功能集成能力，是构建仿生L-skin的理想材料。作为发光源，HOF通过含大π共轭结构的刚性有机单元之间的氢键自组装形成，表现出良好的发光稳定性、柔韧性与溶液可加工性。其结构中丰富的活性位点（如未配对或残余氢键供/受体）有助于HOF通过氢键与外部基质交联。将HOF材料与软质弹性体复合，可制备HOF@L-skin，该材料兼具HOF的优异发光特性与弹性体的高柔韧性和耐水性，产生协同增强效果。基于发光信号读出的HOF@L-skin还具有抗电磁干扰、高信噪比、快速响应、结构紧凑及成本效益高等优势，显示出其作为水下流动与振动监测高灵敏度双模式系统的巨大应用潜力。
海豹、鲨鱼和鳄鱼等海洋动物经过数百万年进化，在皮肤上形成了高度优化的皮肤感觉系统，使其拥有卓越的水动力生存能力。它们皮肤感觉器官能精确探测微小的水流扰动（量级为μm s−1）和低频振动（低至0.5 Hz）。这种敏锐的感知能力使它们即使在能见度有限的情况下，也能执行捕食、躲避天敌和同步学习等关键行为。海洋皮肤系统在探测水动力变化和微弱水下振动方面卓越的流动感知能力，启发研究人员开发一种新型HOF@L-skin，用于超灵敏监测水流动态和振动模式。2023级博士生朱凯借鉴海豹皮肤的触觉雷达式感知机制，将其巧妙集成于HOF基柔性器件中，研制出一种水流及水下震动双模传感器，并进一步应用于水下信息传输、物体识别、运动感知和实时双模式监测等场景。相关成果以“Biomimetic Luminescent Skin for Mechano-Activated Water Flow and Underwater Vibration Bimodal Perception as Aquatic Intelligence Platform”为题在线发表于材料化学顶级期刊Materials Today。
该研究工作得到国家自然科学基金项目(22375150)的支持。
论文链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702126002300