摘要：无人机在航空摄影、遥感测绘、物流运输及灾害救援等众多领域中发挥着重要作用。然而，飞行中的结冰现象是导致无人机事故的主要原因之一，尤其在极端天气条件下，这一问题更为突出。由于无人机通常体积较小，对重量变化极为敏感，且有效载荷和 电源 多余功率有限，传统的防冰和除

无人机在航空摄影、遥感测绘、物流运输及灾害救援等众多领域中发挥着重要作用。然而，飞行中的结冰现象是导致无人机事故的主要原因之一，尤其在极端天气条件下，这一问题更为突出。由于无人机通常体积较小，对重量变化极为敏感，且有效载荷和 电源 多余功率有限，传统的防冰和除冰方法 （ 如机械除冰或电热除冰 ） 并不适用。开发一种有效的防冰 涂层 成为解决无人机结冰问题的理想方案。此外， 对飞行中的结冰情况进行持续实时监测 ， 可实现对无人机的 智 能控制 ， 避免 其 飞行 事故。 为此， 构建 出 兼具防冰与 监测结冰 的 无 人机 智能 蒙皮， 能够显著 提高 无人机 的智能化水平 。 但 当 前尚未有 相关 研究 报道 。

针对这一现状， 天津大学 张雷 教授、 杨静 教授团队 在国际知名期刊 《npj Flexible Electronics》 （IF=15.5） 上发表了 题为“ Self-healing unmanned aerial vehicle skin for icing prevention and intelligent monitoring”的 研究论文 。 天津大学 徐思佳 博士 和 李瑞琪 硕士 为论文的共 同第一作者， 张雷 教授 和 杨静 教授 为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金 优青 、面上 项目的支持。

该研究团队开发了一种耐 低温 自愈 合 无人机蒙皮，该蒙皮同时具备防冰/除冰和实时结冰监测能力， 该柔性蒙皮由五层结构组成，包括整体自愈弹性体、电极以及防冰封装层。其中，封装层赋予蒙皮防冰和 除冰 特性，能将 非均相成核 温度降至-28.4°C，冰 粘 附强度降至 33.0 kPa以下。 得益于整体自愈传感结构设计，该蒙皮可实时监测无人机飞行中的霜冻与结冰情况，且即便在-20°C的低温环境下，其传感功能在受损后仍能完全自主恢复。这项研究提出了无人机智能防冰蒙皮的新概念，为其在极端天气下的安全运行奠定了基础（图1）。

图1. 自愈合 智能无人机蒙皮示意图及性能介绍

为了使无人机蒙皮具备防冰和自愈性能，研究团队基于超分子聚二甲 基硅氧烷（PDMS）框架内多种动态键的协同作用，制备了一种通用的自主自愈弹性体（SE），作为基底和介电层。基于硅基SE的低表面能，设计了PDMS基含氟聚合物（PFS），并将其整合到SE中，作为无人机蒙皮的防冰封装层 （SEF） （图2） 。

图2. 自愈合涂层表征

PFS的作用体现在覆盖基底表面的极性基团（-C=O和-NH），减少动态氢键，降低冰 粘 附强度。SEF对冰核 的 形成 具有显著 抑制作用， 结冰 延迟时间 延长至 243 s ，是钢板（7 s ）的35倍 ； 非均相冰成核温度降至 -28.4°C 。在除冰性能方面， SEF最低 冰 粘 附强度 为 33.0±1.214 kPa，低于一般的防冰/ 除冰 表面（ 粘 附强度几乎没有增加，表明其 除冰 性能的稳定性 （图 3 ） 。

图3. SEF的防冰和除冰性能 表征

研究团队开发的自愈合智能蒙皮（SHIS）传感器由防冰封装层（SEF25）、上下电极层及介电层和基底（SE）构成，采用逐层打印工艺制成。各层均以SE为基础，既赋予传感器快速自愈性，又保障多层界面相容性。电极由含SE弹性体、液态镓铟合金（EGaIn）和固态银片粉的人工电子墨水制成：EGaIn连接银片形成导电路径，SE作为基质构建固态自愈电极。愈合时，EGaIn快速融合恢复导电，SE动态键助力愈合，二者协同确保导电性稳定恢复（图4）。

图 4. SHIS传感器的逐层制造及其传感和自愈性能

将 SHIS安装在无人机上可构成智能结冰监测系统，助力及时调整飞行状态。 室内模拟 实验 表明 ， SHIS 对冰块响应快（约1.4 s ）且稳定；在-15°C、湿度90%环境中，能通过电容信号变化监测结霜及结冰-除冰过程。 进一步地，SHIS 在温暖、微风、寒冷、多风等不同 户外 环境下， 也表现出 良好监测雨水或 结冰 情况 （图5） 。

图5. 无人机结霜和结冰的实时监测

通讯作者简介

张雷， 天津大学合成生物与生物制造学院教授、博士生导师，生物工程系 主任，国家自然科学基金青年A类（原国家杰青）、B类（原国家优青）基金获得者。主要研究方向包括生物化工与合成生物学、蛋白设计、低温保护、功能材料、海洋涂料等。已在Nature Biotechnology, Nature Communications, JACS, Angew, Chemical Reviews, AIChE Journal, CES, Research, Engineering等期刊发表论文100多篇。

杨静， 天津大学合成生物与生物制造学院教授、博士生导师；国家自然科学基金青年B类（原国家优青）基金获得者、国家级某领域青年人才。主持国家级重点创新项目、国家自然科学基金、科技部重点专项子课题等项目。主要研究方向为生物材料、仿皮肤传感材料与器件、材料合成生物学等。以第一/通讯作者在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Chem. Rev., Research, Adv. Func. Mater., ACS Nano, 等刊物发表SCI论文50余篇。

论文信息：

来源：高分子科学前沿一点号1