Advanced Functional Materials | 通过对布利甘德静电纺丝层压板进行结构调控，实现了机械强度和机电传感的耦合。

自然赋予设计原则，使多功能材料能够将机械弹性与专业功能结合起来。然而，将分层生物架构转化为能够集成感测和人机接口的合规合成系统，仍然大多未被探索。本文分析蓝蟹（Callinectes sapidus）外骨骼的螺旋状布利冈组织，并将这一原理转化为可生物降解的电纺聚（L-乳酸-辅-ε-卡普内酯）（PLCL）层压，并嵌入碳纳米管（CNT）感应层。通过在保持相同成分的同时改变纤维层间的角度旋转，我们隔离出层压结构对机械和机电性能的影响。20°层间旋转提供了最均衡的机械响应，杨氏模量提高了三倍以上，拉伸强度相较于随机叠加层压板增加了近40%。尽管层压板厚度约为100微米，但能承受厚度超过其55至73倍的面外变形而才失效，而嵌入的碳纳米管网络则实现了结构损伤的实时检测。经过纺织集成后，层压板作为可穿戴传感器，用于触摸、应变、温度和重量，层压结构产生超过数量级的电输出变化。作为概念验证的人机界面，这些层压板支持实时信号可视化和同步机器人手部操作，展示了智能材料和仿生结构电子的可扩展策略。

该研究以题为“Architectural Tuning of Bouligand Electrospun Laminates Enables Coupled Mechanical Robustness and Electromechanical Sensing”发表在Advanced Functional Materials上。

图1

仿生设计与制造布利冈结构电纺层压板。a） 蓝蟹（Callinectes sapidus）的外骨骼成为层压建筑的生物学灵感来源。取出的蟹壳显示了用于结构分析的区域。b）电旋随机且对齐的PLCL纤维垫的示意图，随后将碳纳米管（CNT）电泳沉积（EPD）置于选定垫片上，形成导电感应层。c） 利用电旋垫板进行热压层压板制造的示意图，生成随机堆叠（R）和受布利冈启发的结构，层间旋转角度为20°（A20）和45°（A45）的固定层层，纤维排列一致。d） 研究层压板结构及其对多功能性能影响的总结。从随机叠层层（R）到受Bouligand启发的架构（A45和A20）逐步提升建筑控制，提升了机械强度、损伤容忍度和机电响应的平衡，使得应用于纺织集成感测和可穿戴人机界面。

图2

蓝蟹（Callinectes sapidus）布利冈结构的生物学启发与定量结构分析。a） 蓝蟹的照片及被提取的背甲照片，作为层压设计的生物模型。b1）蟹角质层的横断面SEM显微照片，显示了典型的布利冈螺旋状结构。测量到的半间距（28.7 ± 2.8微米）相当于纤维在角质层厚度中完全旋转的一半。b2）形成层级结构的几丁质纤维束的高倍率SEM图像。

图3

Bouligand启发电旋层压板的形态学和物理化学特性分析。a-c） 代表性的层压R、A20和A45 PLCL架构的SEM显微照片。d）从层压结构测量的纤维直径分布。e） 对层压结构中纤维取向的定量分析，确认随机和优先对齐的纤维排列。f） 电纺参考纤维的FTIR光谱及代表性层压样品，证明层压过程能够保持PLCL的化学结构。g） 电旋参考纤维及R和A20层压的代表性DSC热图，显示玻璃转变温度（Tg）以及聚（ε-丙内酯）（PCL）和聚（L-乳酸）（PLLA）晶域的熔融转变。

图4

Bouligand启发层压板的机械性能，其中包含嵌入碳纳米管感应层。a）R、A20和A45层压结构的代表性拉伸应力-应变曲线。b）杨氏模量（E）和极限拉伸强度（UTS）。c）UTS的压力（UTS ε）和坚韧。d）用于估算相对杨氏模量的纤维取向模型示意图。方向因素，因为4θ，其中θ是光纤与载荷方向之间的夹角，被平均到九层，并归一化为随机架构（R）。e） 比较预测（阴影条）与测量（填充圆）归一化至R的杨氏模数。实验数据b中，c）和e）以均值±标准差表示，单独测量叠加（n = 3）。

图5

布利冈启发层压下的机电响应。a） 集成同时机械载荷和原位电阻测量的定制压入系统示意图。b） R、A20和A45层压结构的代表性凹入力-位移曲线。c）凹陷过程中记录的代表性电阻分布，显示了刺穿导致嵌入碳纳米管（CNT）感应层损伤时电阻的急剧增加。d）层压板在凹陷前后的电阻，显示机械损伤导致电阻的永久增加。数据以平均±标准差表示，并叠加单个测量值。

总结

蓝蟹外骨骼的螺旋布利冈组织给了灵感，研究把这种分层架构转成可降解电纺PLCL层压，并嵌入CNT传感层。成分不变，只调纤维层间旋转角，借此拆开层压结构对力学和机电性能的单独影响，核心是仿生分层加角度调控再加传感集成。

20°层间旋转给出最均衡力学，模量提高三倍多，拉伸强度比随机叠层增近40%；约100微米薄板能扛55至73倍厚度面外变形，CNT网络还能实时报损伤。织进纺织品后做触摸、应变、温度、重量传感，电输出跨数量级变化；概念验证里实现实时信号可视化和机器人手同步操作。

参考文献：

DOI:10.1002/adfm.79347

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