自修復材料可大致分為兩類(lèi)：外源型（圖1a）和內源型（圖1b）。當分散的愈合劑（通常由聚合物基質(zhì)中的反應性前驅物和催化劑組成）在損傷后釋放時(shí)，會(huì )發(fā)生外源型自修復。這些愈合劑可以通過(guò)自主聚合反應和交聯(lián)網(wǎng)絡(luò )的重建來(lái)修復損傷區域。盡管這種方法非?？煽?，但它只允許材料有限次數愈合，而且通常不能在相同的位置重復愈合。相比之下，內源型自修復材料不需要添加愈合劑，并且受損區域能夠通過(guò)聚合物基質(zhì)的重組重復愈合。此過(guò)程是通過(guò)動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵或非共價(jià)鍵的再生以及受損界面上聚合物鏈的纏繞重建了基體。
參考文獻：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.10.026
斯坦福大學(xué)鮑哲南教授團隊回顧了自修復電子材料的發(fā)展，并研究了這些材料如何用于制造自修復的電子設備。同時(shí)文中探討了自修復電子系統的潛在新功能，這些功能通常在傳統電子系統中是不可能實(shí)現的，并討論了為實(shí)際應用提供自修復柔性電子系統的當前挑戰。
圖3. 具有自修復功能的柔性電子設備。最近報道的基于出版年份和電子設備復雜性的自修復柔性電子設備。紅色指可自我修復的活性層；藍色指獨立的可自我修復的電子設備；紫色指多功能可自我修復的可拉伸系統。
參考文獻：
DOI: 10.1038/s41928-019-0235-0
受許多生物體的啟發(fā)，軟機器人幾乎完全由柔性軟材料制成，使其適合于不確定的動(dòng)態(tài)任務(wù)環(huán)境中的應用，包括人機交互。它們固有的柔韌性可以吸收沖擊并保護它們免受機械沖擊。但是，用于其構造的軟材料極易受到損壞，例如在操作中不受控制和不可預測的環(huán)境中存在的尖銳物體所造成的割傷和穿孔。針對該問(wèn)題，比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)的Bram Vanderborght團隊利用了材料的自愈性能，構造了軟機器人自修復彈性體，開(kāi)發(fā)出了可自我修復的軟氣動(dòng)執行器的三種應用：軟夾持器，軟手和人造肌肉。該材料中熱可逆的共價(jià)網(wǎng)絡(luò )使其具有治愈微觀(guān)和宏觀(guān)損傷的能力，而且在損傷處，沒(méi)有弱點(diǎn)形成，并且執行器的全部性能在愈合后幾乎完全恢復。
圖5. 軟氣動(dòng)執行器。（A和D）自修復軟氣動(dòng)手。 （B）自修復軟氣動(dòng)抓手。 （C）自修復等褶狀氣動(dòng)人工肌肉。
當前的自修復材料具有限制其實(shí)際應用的缺點(diǎn)，例如低的治療強度（低于兆帕）和長(cháng)的治療時(shí)間（小時(shí)）。 針對這個(gè)問(wèn)題德國馬普研究所的Melik C. Demirel和來(lái)自美國賓州州立大學(xué)的Metin Sitti團隊基于魷魚(yú)腕足吸盤(pán)中的環(huán)狀齒蛋白序列，通過(guò)蛋白質(zhì)工程技術(shù)，成功制備出了兼具高愈合后強度、超快愈合速度（愈合后強度達到2-23 MPa，愈合時(shí)間1s）和生物可降解的自愈合彈性體材料，并將這種材料用于制備氣動(dòng)人工肌肉和柔性抓手。這種材料可以在一秒鐘內通過(guò)局部加熱自我修復微觀(guān)和宏觀(guān)機械損傷。并且經(jīng)過(guò)系統優(yōu)化，可以改善其氫鍵結合的納米結構和網(wǎng)絡(luò )形態(tài)，具有可編程的愈合特性，超過(guò)其他天然和合成軟材料的數量級。
圖 7. 蛋白鏈結構及其高級折疊結構。魷魚(yú)蛋白質(zhì)的分析，魷魚(yú)啟發(fā)的主序列的設計以及蛋白質(zhì)庫的生物合成，產(chǎn)生了基于蛋白質(zhì)的功能性自修復材料，適用于軟促動(dòng)器和機器人應用。b，天然Loligo vulgaris蛋白復合物和生物合成TRn4，TRn7，TRn11和TRn25多肽的蛋白大小。c，生物合成串聯(lián)重復多肽的納米結構由通過(guò)柔性鏈（黃色）連接的β-片狀納米晶體網(wǎng)絡(luò )（藍色）組成，具有分子缺陷（懸空的末端和環(huán)）。d，由于優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò )形態(tài)，魷魚(yú)啟發(fā)的蛋白質(zhì)（在室溫下）的自愈特性比天然蛋白質(zhì)得到的改善。誤差線(xiàn)，標準偏差（n = 5）。
參考文獻：
https://doi.org/10.1038/s41563-020-0736-2
電阻應變傳感器具有出色的靈敏度和順應性，因此在柔性和可拉伸電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。然而，由于固體導電層與聚合物之間的低粘合強度以及常規固體導電層內部不可彌補的干摩擦，這種傳感器的耐用性較差。針對該問(wèn)題，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所生物啟發(fā)智能界面科學(xué)實(shí)驗室田野團隊受動(dòng)物角膜淚膜的結構和出色的耐磨性的啟發(fā)，設計了基于由改性聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的仿生微絨毛上形成的均勻自修復無(wú)磨損液態(tài)膜的超耐久應變傳感器。將包含離子液體的乙醇溶液添加到PDMS微絨毛中，由于表面化學(xué)性質(zhì)和特殊結構，該微絨毛具有超親液性。在蒸發(fā)過(guò)程中，離子液體通過(guò)壓力向上驅動(dòng)，并形成連續的導電膜。作為傳感層，當反復拉伸和釋放時(shí)，由于濕摩擦而使毛細管穩定化的液膜無(wú)損，并且在釋放后，由于毛細管力引起的自我修復能力，裂縫將完全恢復，從而使應變傳感器能夠具有超過(guò)22500個(gè)裝卸循環(huán)的高耐久性。這項工作提出了一種構建超耐用電子產(chǎn)品的方法。
圖9. 基于液膜的超耐用應變傳感器的制造。（a）液膜的形成過(guò)程。（b，c）分別具有和不具有離子液體膜的微絨毛的橫截面SEM圖像。插圖：頂視圖SEM圖像。（d）分析驅動(dòng)力。（e，f）液膜頂部和底部的彎液面夾在微絨毛之間。
參考文獻：
https://doi.org/10.1021/acsnano.8b08911
皮膚和肌肉在受到損傷時(shí)會(huì )自動(dòng)自我修復，而這一能力一直是科學(xué)家夢(mèng)寐以求想賦予材料的一種特殊性能。然而，目前的可修復材料的大多數設計都需要外部能量才能愈合或者這些材料的機械強度較弱。動(dòng)態(tài)超分子材料可以在一定程度上解決以上問(wèn)題，它在室溫下無(wú)需外部條件便可以發(fā)生自我修復。但是，具有自修復性能的動(dòng)態(tài)超分子材料往往不能適用于極端條件，原因在于：（i）當可修復材料在水下受傷或破裂時(shí)，水分子會(huì )干擾動(dòng)態(tài)鍵的重新連接，導致材料無(wú)法修復。（ii）在凍結條件下，可修復材料中鍵的動(dòng)態(tài)特性遇到很大的障礙，從而極大地限制了自修復過(guò)程。（iii）一些自我修復的相互作用易受pH值變化的影響。針對以上問(wèn)題，來(lái)自天津大學(xué)化工學(xué)院張雷教授團隊，通過(guò)在聚二甲基硅氧烷聚合物中協(xié)同結合多強度氫鍵和二硫鍵交換，設計出一種具有普遍自愈性和高拉伸性的超分子彈性體。它可以在極端條件下實(shí)現快速的自主自修復，包括在室溫、超低溫（?40°C）、水下、過(guò)冷的高濃度鹽水（-10°C下30%NaCl溶液中）和強酸/堿環(huán)境（pH=0或14）。這些性質(zhì)歸因于動(dòng)態(tài)強氫鍵和弱氫鍵與強二硫鍵的協(xié)同相互作用。
參考文獻：
https://doi.org/10.1038/s41467-020-15949-8
柔性可拉伸電極在可穿戴電子領(lǐng)域中具有廣泛的應用。近年來(lái)，隨著(zhù)醫療器械的發(fā)展，人們對可拉伸電極材料的功能性要求也越來(lái)越高。如用于監測生物電信號的電極材料不僅需要優(yōu)異的彈性和導電性，還需要和生物界面具有優(yōu)異的粘附性來(lái)保證信號的穩定性。目前所采用的電極所采用的基體材料通常采用硅橡膠類(lèi)彈性體，這類(lèi)聚合物在具有高彈性的時(shí)候并不能具備粘附性。因此制備一種本身具有粘性的彈性體具有重要的意義。針對這一問(wèn)題，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院張秋紅副教授、賈敘東教授課題組將帶有二羥基的多巴胺基團引入到以聚四氫呋喃醚基聚氨酯體系中，利用體系內的動(dòng)態(tài)氫鍵和多巴胺間相互作用，制備了一種新型的“粘”彈體（斷裂形變5100%，斷裂強度1.9 MPa，粘附強度62 kPa）。
參考文獻：
https://doi.org/10.1002/adfm.202006432
圖13. 自修復性能測試。a）自我修復過(guò)程。b）拉伸前后自我修復的多氫鍵彈性體的照片。c）原始，第一，第二，第三和第四愈合的多氫鍵彈性體的典型應力-應變曲線(xiàn)和d）韌性。e）比較不同自修復聚合物彈性體的機械自修復效率。f）25和30 LBL循環(huán)的應變傳感器的電氣自修復性能。g）電氣自我修復過(guò)程。h）帶有25個(gè)LBL循環(huán)的已修復傳感器的SEM圖像。
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