力致变色是一种改变光信号的能力，如发光颜色和强度、透明度、吸光颜色以响应外部机械刺激。目前，具有发光力致变色响应的柔性材料很少被报道，而同时具有拉伸、弯曲和压缩三种力致变色响应的力敏传感器件还没有报道过，因此，其也成为了力致变色领域的重大研究挑战之一。我院闫冰教授课题组以破解这一研究难点为导向，自2020年开展氢键有机框架晶态基元杂化材料的构筑及功能化，取得了系列进展(Adv. Funct. Mater.2021,31,2103321; Adv. Opt. Mater. 2022, 10, 2200451; Adv. Health. Mater. 2023, 12, 2203292; J. Mater. Chem. A 2021,9,26391-26400; 2022, 10, 15427-15437; 2023, 11, 4739-4750; J. Hazard. Mater. 2023, 441, 129865; Inorg. Chem. Front. 2022, 9, 3627-3635; J. Mater. Chem. C 2022, 10, 10320-10329; 2022,10,1212-1219)。

图1. (a) 皮肤传感器通过生物神经网络或人工神经网络转换生物电或光信号的示意图，以实现信号增强。(b) 蓝环章鱼（头足类）通过收缩或扩张色素细胞来改变皮肤颜色。(c)拉伸、弯曲和压缩三种力致变色过程。

近期，该课题组合成了一例离子型氢键有机框架(HOF-TJ-1)蓝光材料，并通过阳离子交换的方法合成了具有红、黄、绿三种发光颜色的Dye@HOF材料。受蓝环章鱼的皮肤变色行为启发，团队提出了一种发光力敏仿生皮肤传感器的概念，即使用PDMS材料合成了四种HOF基具有三重力致变色响应的皮肤传感器（1−4）。在拉伸过程中，1−3的发光颜色从最初的蓝色变为红色、黄色、绿色，4表现出增强的蓝色发射。在0−40%的压缩应变下，1−4的蓝色发射增强。该传感器上层具有多孔结构，在拉伸，弯曲和压缩的过程中，1−4表现出了超低的检测限和极好的可重复性。通过有限元仿真模拟计算，三种力致变色响应（拉伸，弯曲和压缩）的机理得到了合理的解释。基于1的发光力致变色响应，团队还进一步实现了三种智能应用，即手指运动传感、手势识别和触觉增强的手掌信息收集。该工作以“Bioinspired HOF-based luminescent skin sensor with triple mechanochromism responses for recognition and collection of human biophysical signals”为题在线发表在《材料地平线》（Materials Horizons）上（https://doi.org/10.1039/D3MH00096F）。我院在读博士生徐鑫是论文第一作者，闫冰教授是通讯作者。该研究得到国家自然科学基金的资助和支持。

图2. 拉伸力致变色过程和机理

图3. 弯曲力致变色过程和机理

图4. 压缩力致变色过程和机理

图5. 基于人工神经网络实现手势识别应用

这项工作为制备基于HOFs的全色彩发光力敏皮肤传感器提供了简便的合成方法，极大地扩展了发光力致变色响应的类型，丰富了发光力敏仿生皮肤传感器的应用。

论文连接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh00096f