新型电子皮肤突破南极更低温？天津大学张雷：-78℃下自愈合，能隔衣感知信号

搜狐科技《思想大爆炸——对话科学家》栏目第78期，对话天津大学化工学院教授、生物化工系主任张雷。

嘉宾简介

张雷，天津大学化工学院教授、生物化工系主任、博士生导师；杨静，天津大学化工学院生物化工系副教授、博士生导师。团队的主要研究方向包括生物化工与合成生物学、细胞/器官保存、抗冰涂料、功能材料等。

划重点：

1.新型电子皮肤能够耐受-78℃的南极更低气温，同时其还具有高拉伸、自愈合和高灵敏的特性，可以准确感应压力、识别物体形状和特定符号。

2.在极地、高原、深海、外太空等低温环境，新型电子皮肤可用于操作取样。

3.在太空服、防寒服、手套外集成电子皮肤，能够帮助用户即使隔着衣物也可以感知外界信号。这样不仅可以帮助人们应对地球极端气候变化，还对人类地外探索、适应外星环境并移居外星有巨大帮助。

出品 |搜狐科技

作者 |周锦童

编辑 |杨锦

极地探索可以帮助人类了解气候变化、冰川动态、海洋生态和极地生物，还可以引领人类发现远古建筑和先进文明。人类从未停止过对极地这片地球最极端寒冷地区的探索，美国国家科学基金会每年会向极地项目投资约5亿美元用于发现极地的各种资源。

极低温环境是极地探索最主要的挑战之一，南极和北极的年平均气温在-49℃至-31.4℃之间，北极的更低气温可低至-78℃，这为极地探险者的生命安全带来了极大的风险。为此，极地机器人的研发对减小探险人员的伤亡，对人类开发未知危险地带有着重要的意义。

近日，天津大学化工学院的科研人员成功研发出一款新型电子皮肤，可在-78℃的严寒环境中实现高拉伸、自愈合，同时还具有灵敏感知压力、物体形状和特殊符号的功能，对我国开展极地科考具有重大意义，相关成果已发表于国际权威期刊《美国化学会志》。

这种新型电子皮肤是如何在-78℃的情况下运行的？高拉伸、自愈合、高灵敏特性又是如何实现的？未来有哪些应用场景？研究方向如何？对此，搜狐科技对话了该团队负责人——天津大学化工学院教授、生物化工系主任张雷和团队的骨干教师杨静副教授。

极寒中的奇迹——什么是电子皮肤？

张雷解释道：皮肤是人类最重要的器官之一，它起到保护皮下组织器官的作用。皮肤可以感知外界的温度与压力，还具有排泄汗液、调控体温、吸收药物等功能。

而电子皮肤是当前非常前沿且备受关注的领域，它可以模拟皮肤的功能，通常用于像机器人等智能设备，以便其能够感知外界信号。

那么，其它的电子皮肤目前都在什么温度下运行呢？

杨静表示，国内外从事研究电子皮肤的优秀团队有很多，他们的研究各具特色，但通常的应用温度在室温25℃或体温37℃左右。

而张雷团队的特色就是低温冷冻保存研究，包括细胞冷冻保存、组织器官冷冻保存等等。例如，常用的保存环境是-80℃超低温冰箱和-196℃液氮，在超低温环境下细胞、微生物、脐带血、干细胞等可以实现长时间的保存。

杨静表示：我们在低温冰箱中取冷冻的细胞等样品的时候，都要戴上厚厚的手套，这样就使得我们对样品细节的触觉感受被大大的减弱了。同样，在严寒地带，穿戴着厚厚的防寒装备的人类也会遇到同样的问题。

所以我们自然而然就想到，如果能开发出可以在低温环境下，甚至在更低气温是-78℃的南极地带，响应外力信号且能保持良好柔性的电子皮肤，就可以解决这个问题。

就像人类的皮肤能够感知压力，这款电子皮肤能够将外界压力转化为电信号，让机器手变得“有感觉”。它的结构分为5层，从封装层到基底层，每一层都承载着科研人员的心血和智慧。而它的超低温耐受性，更是让电子皮肤可以耐受南极的严寒环境。

人类探索未知世界的另一只手

除了超低温耐受性外，这款电子皮肤还具有高拉伸、自愈合和高灵敏的功能，可以准确感应压力、识别物体形状和特定符号。

高拉伸很好理解，这也体现了它的柔性，就像橡皮筋一样，一厘米的橡皮筋拉伸到十厘米长且不会断，这就是体现了其良好的拉伸性。

至于自愈合，我们都知道，户外露天使用的诸多设备的表面容易受到各种因素的损伤，维修不仅成本高，也具有不同程度的危险性。而严寒地区的低温，又极大的增加了户外维修工作的难度。而可自主修复的材料有望完美解决这个问题，就像被划破的手指可以愈合一样，该材料被划伤后，可以在低温环境下实现自我愈合。

电子皮肤的高灵敏度就是指对外界压力的响应性比较高，即使是较为微弱的压力也能转化为信号。举个例子，就像一根小小的羽毛或者头发落在我们皮肤上也可以被感知到一样，一个比较轻的东西落在电子皮肤上也能被感知，这就是具有高灵敏性。

谈到这里，许多网友都会好奇，这种电子皮肤是如何实现自愈合、自修复的呢？

实际上这是一种化学材料高分子的分子设计技术，他们设计了一类基于聚二甲基硅氧烷的超分子弹性体，通过向弹性体侧链中引入四重氢键单元，使其具有极低的玻璃化转变温度，并且赋予材料快速可逆动态组装性能。

杨静用一个形象的例子解释了自愈合的原理：就像磁吸窗帘，可以反复安装和分离，展现了材料的可逆动态组装性能。

“这种愈合材料是比较稳定的，安全性也比较高。它的极限寿命可能长达数年甚至更久。”

图来自文章

通过图片可以看到，这款新型电子皮肤能够完全包覆在机器人的手掌上，并且根据需求，应用面积还可以进一步扩大，也不会影响其功能。

谈及应用场景，张雷指出：“低温环境都可以应用这款电子皮肤，像极地、高原、深海、外太空等，还可以帮助在低温冰箱无菌环境下的灵敏操作。”

“人体也是可以应用的”，张雷介绍说，在太空服、棉服、手套外加上电子皮肤，即使隔着衣物也可以感知外界信号。

其实，早在2020年，张雷团队就研发出了代表当时学术前沿的“全天候自愈合电子皮肤”，新一代的电子皮肤是在这个基础上进行了升级。

谈及研究初衷，张雷谦虚地表示，国内外许多专家比如斯坦福大学鲍哲南教授团队的工作就非常出色，我们也受到了许多启发，之所以我们希望在超低温领域应用，“一方面这是国家的重要需求，另一方面也是我们团队的研究特色，希望给同行贡献一些参考。”

目前，团队在材料方面的研究做的比较完善，但在应用方面，很多都还处于畅想阶段。

张雷希望，未来能够把这款电子皮肤推向更加实质的应用。

“下一步我们希望能够结合极地等领域专家们的需求，在实际应用方面深入地进行研究。”张雷说。