材料的应力应变特征是影响材料服役性能与失效方式的重要参数。开发应力应变的高效检测手段是对整个材料科学领域具有重大价值的课题与方向。万能试验机是一种最常用的应力应变传感器，可通过电信号实时输出材料拉伸、弯曲、压缩等过程中力与位移的关系。然而，万能试验机对试样几何尺寸有严格要求，同时仪器自身较为昂贵、结构庞大，难以应用于不规则样品或在实验室外使用。
近年来，研究者们开发了一系列更加简便高效的柔性应力应变检测装置。其中，碳基材料传感器把碳纳米管或石墨烯等导电碳纳米物质加入到柔性基底中，利用其变形过程中导电率的变化来进行应变测量；将金属导线沉积到柔性基底上，利用基底拉伸过程中金属导电率的变化也可以实现实时应变检测。导电高分子材料也被大量应用于应力应变传感器的开发，如以离子凝胶为基础的电阻型应变传感器等。尽管上述方法取得了一定的成功，但仍存在系列技术局限。首先，这些传感器的制备均需要经历较为复杂的工艺流程，工业生产成本与难度较高；其次，上述装置均无法直接显示应力应变，需要依赖额外信号读取装置；最关键的是，这些传感器仅能输出单一标量信号（电流、阻抗等），难以对待测样品的复杂应力应变分布进行精确分辨。
图1 受生物启发的裸眼应力应变检测贴
近期，北京工业大学材料与制造学部赵治、宋晓艳教授团队从自然界鱿鱼的变色机理获得启发，开发了一种全新的裸眼应力应变检测贴。鱿鱼真皮中的虹细胞（iridophore）可通过改变其蛋白质类物质的分子堆积方式调节其光学特性。本研究提出可利用外力辅助的水凝胶可逆序构实现类似的光学行为调控（图1）。本组前期工作表明，丙烯酸/1,2-二胺型水凝胶体系中的多齿氢键密度超过特定阈值时会引发疏水自组装与相分离，产生具有高度光散射能力的疏水相微结构（Adv. Sci. 2023, 10, 202303315）。这一现象的根源是高密度多齿氢键拉近了疏水基团的相互距离。最新研究发现，在外力作用下，丙烯酸/1,2-二胺型水凝胶体系也可产生疏水自组装。这是因为外力诱导下的高分子定向排列拉近了疏水基团间距。外力辅助的水凝胶序构可产生类似虹细胞的微观结构与光学特性，故将其命名为机械虹细胞（mechano-iridophore）。
可产生机械虹细胞的仿生水凝胶对外界应力应变展现出优异的指示性能（
图2
）。例如，这类仿生水凝胶的透光率随应变呈线性变化，在经受循环拉伸时表现出稳定的光学性能。同时，透光率变化的响应时间可低至0.4 s以内。以微小的机械虹细胞作为显色单元还使得材料整体的应力应变分布可被实时观测，从而对非均匀的应力应变行为进行深度研究。
图2 仿生水凝胶的应力应变指示特性
应用上述可逆变色仿生水凝胶制备的应力应变检测贴（NSV patch）具有多种优势。仿生水凝胶含有的丰富羧基与胺基可与多种基底表面产生较强分子间作用，使检测贴牢牢粘附于基底表面，从而将基底形变有效传导到检测贴中。水凝胶的可逆物理交联使得凝胶贴具有优异的自愈合特性，即使被划伤也能迅速恢复检测能力。同时，凝胶检测贴的机械性能也十分强大（图3）。
图3 新型应力应变检测贴的自粘性、自愈合性与优异机械性能
图4 新型应力应变检测贴的自粘性、自愈合性与优异机械性能
NSV patch
可对任意形状基底的应力应变二维分布进行实时检测，检测空间分辨率可达100微米以上。同时，应力应变的变化是以光学信号输出，因此可用裸眼进行直接读取，或者利用手机小程序直接定量分辨（图4）。这种新型的应力应变检测模式有望在材料基础研究、损伤诊断、材料失效风险预测等众多领域发挥巨大作用。
该工作以“A Soft, Adhesive Self-Healing Naked-Eye Strain/Stress Visualization Patch”为题发表在材料学顶刊《Advanced Materials》上（Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.202307582）。文章第一兼通讯作者是北京工业大学赵治教授，共同通讯作者是北京工业大学宋晓艳教授与北京大学人民医院的贺致宾教授。该研究得到国家自然科学基金的支持。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202307582
