海科技大学凌盛杰课题组和塔夫茨大学---利用石墨烯/电喷纺丝结合制备可防火/报警的人工智能纳米离子皮肤

随着5G时代的到来，仿人机器人、移动操控机器人、自动探测机器人等人工智能机器人将成为主要增长领域。与其他工业电子技术一样，这些人工智能系统的安全性将成为一个重要问题，因为它们经常用于易燃、易产生静电和易爆的环境中。因此，轻巧高效的基于织物的防火皮肤仍然是人造机器人的目标。需要能够与环境和机器动态交互并能够主动检测并提供早期警报的防火皮肤，因为这样的组合功能将有利于轻量化机器人系统的优化设计。该工作中采用合理设计的高通量电喷纺丝技术开发了一种阻燃丝绸/石墨烯纳米离子电子（SGNI）皮肤，简化了无溶液电导率的处理，以提高至少5-10 mLh^–1的制造速率，其生产效率比静电纺丝更高效。这些阻燃SGNI皮肤结合了纳米纤维和离子电子材料的优点，具有可持续性、导电性、高度多孔性、机械强度、高度可拉伸、自粘、湿度和温度敏感性。这些优点支持将SGNI皮肤组装成火灾报警系统，对手机、云和中央控制系统进行实时报警（2秒响应）。将阻燃剂和火警材料结合到智能皮肤中的概念可能为机器人和人机交互保护皮肤的设计提供潜在的解决方案。

Figure 1. SGNI皮肤的制备。（a）防护皮制作过程示意图。（b）尺寸为30 cm × 30 cm 的SGNI 皮肤。（c）SGNI皮肤的微观结构。

Figure 2. SGNI的纺丝和粘合特性。期间旋转喷射的快照：（a）电喷纺工艺，（b）吹纺（c）静电纺。SEM图：（d）电喷纺纤维，（e）喷纺纤维（f）和静电纺纤维。（g）SGNI皮肤在不同相对湿度下的应力-应变曲线。（h-k）SGNI皮肤在不同相对湿度下处理后SEM图，插图为失败部分的相应SEM图。（l）SGNI皮肤粘附的两条木条可承受500克的重量。（m）SGNI皮肤与3M商用双面胶带之间的粘合力比较。

Figure 3. SGNI皮肤的阻燃性。（a）SGNI皮肤的燃烧过程。（b）SGNI皮肤的阻燃机制。（c）SNI皮肤、SGNI皮肤和脱胶真丝纤维的TGA曲线。（d，e）SGNI皮肤和脱胶真丝纤维的热重分析/质谱图。

Figure 4. SGNI皮肤的应用。（a）SGNI皮肤保护的纤维素纸的燃烧过程。（b）SGNI皮肤（上内侧）和SNI皮肤（下内侧）暴露在火中时的敏感性。（c）智能火灾报警系统示意图。（d）照片显示火焰警报，SGNI粘附在纤维素纸表面，起到防火和火灾报警的作用。（e）机器人动作触发保护系统设计理念。（f）SGNI皮肤用作行为触发器，以保护假肢免受外部伤害。

相关研究成果由上海科技大学hengjie Ling课题组和塔夫茨大学David L. Kaplan课题组于2021年发表在《Advanced Materials,》tps://doi.org/10.1002/adma.202102500）上。原文：Electro-Blown Spun Silk/Graphene Nanoionotronic Skin for Multifunctional Fire Protection and Alarm。

凌盛杰，助理教授、研究员

Address：物质学院3号楼305B

School of Physical Science and Technology, 3-305B

Email：[e-mail]

2004.9-2009.6, B.S. in Zhejiang University of Technology, China 

2009.9-2014.6, Ph.D. in Polymeric Chemistry and Physics, Fudan University

2012.11-2013.8, Visiting Ph.D. student (CSC joint Ph.D. Programme). Department of Health Sciences and Technology, ETH Zürich (Switzerland).

2014.9-2017.9, Postdoc, MIT, USA (Supervisor/Advisor: Markus J. Buehler)

2017.9-now, Assistant Professor, Principal Investigator, School of Physical Science and Technology (SPST), ShanghaiTech University, China.

Research

研究组以生物大分子、天然结构材料和材料生物学为核心，致力于采用生物材料组学研究方法解析天然材料的设计策略，并开发相应的仿生功能材料。主要研究方向包含：

（1）同步辐射红外及X射线技术对重组蛋白和天然材料的表征；

（2）分子动力学模拟对天然材料设计策略的解析；

（3）生物仿生材料，生物纳米材料和生物功能材料的开发与应用。