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  電子皮膚可模仿人體皮膚對外界環境（包括對壓力、溫度及化學等刺激）的感知，因而可廣泛應用于人工智能和醫學診斷等領域。盡管近年來電子皮膚研究取得了長足進展，但仍然還存在感應材料的響應靈敏度不足、穩定性和抗干擾能力較差及感應的范圍窄等諸多問題，這些限制了其實際應用。要解決以上問題，選用具有優異性能的活性材料和設計合理的器件結構是關鍵。碳納米材料（碳納米管、石墨烯等）因其優越的物理、化學以及電學性能成為制造高性能柔性傳感器最常用的活性材料之一。然而，由于碳材料本身無彈性，因而在構筑柔性器件時，往往需要與柔軟且具有彈性的高分子復合的同時盡量保持其本身性能。因此，開發出有效的方法將碳基材料與高分子有效復合，對開發出高性能柔性可穿戴器件至關重要。

  中國科學院寧波材料技術與工程研究所陳濤研究員團隊前期研發了系列基于碳材料的高分子復合體系，并取得了階段性進展（Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 2428; J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 4124; J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 10810; Chem. Mater., 2016, 28, 7125; Chem. Commun., 2017, 53, 1949; J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 10217; J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 6666; Nature Commun., 2018, 9, 4051; Chem. Commun., 2018, 54, 12804），這些高分子碳基復合體系是柔性可穿戴傳感器件的重要材料基礎。

圖1 基于聚多巴胺/石墨烯納米異質結的柔性仿生濕敏材料應用于柔性可穿戴器件

  模仿生命體系，有助于我們設計高效的傳感器件。例如，水分子在人體大部分代謝過程中至關重要，可通過實時監測人體皮膚表面和呼出的空氣周圍水分子的含量和分布，獲得個體的生理和心理信息。近期，研究人員開發了基于聚多巴胺/石墨烯納米異質結的柔性仿生濕敏材料。這種材料通過自組裝可以在電極間形成規則的層狀二維結構膜，并且通過調控聚多巴胺量可以在0.7nm到1.4nm范圍精確調控其層間距。其中所存在的納米級孔道結構有利于水分子快速運輸，在動力學上保證器件快速的響應與回復，層間中的聚多巴胺分子可以通過氫鍵快速“捕獲”水分子與“釋放”水分子，在熱力學上保證器件快速的響應與回復。利用該傳感器我們構筑了一套柔性可穿戴器件，能夠以非接觸的方式監控呼吸、運動甚至說謊等心理活動所引起的人體非常微弱的濕度波動信息（Chem. Mater., 2018, 30, 13, 4343-4354）。

圖2 自組裝石墨烯-PDMS非對稱復合結構材料應用于高精度脈搏實時檢測柔性可穿戴器件

  在高分子碳基復合體系的設計中，特別是面向柔性傳感器的應用中，非對稱復合有助于發揮高分子及碳基材料各自的性能優勢。最近，該團隊與中科院北京納米能源與系統研究所潘曹峰研究員團隊合作，研究人員利用石墨烯片層在水/空界面的二維宏觀薄膜的組裝，以所得石墨烯膜作為傳感層與具有微納結構的PDMS彈性體組成非對稱復合結構，其中石墨烯膜傳感層的導電性和厚度通過調控組裝層數可以得到很好地平衡。所得傳感器表現優異的綜合性能，同時具有高靈敏度（1875.53kPa-1）和寬線性檢測范圍（0-40kPa）以及良好的穩定性和超高的信噪比（78db）。基于這些優異的性能，構建了一套通用、高精度、可穿戴的無線脈搏監測系統。該傳感系統相比于商用可穿戴脈搏傳感器有諸多優勢，該系統除具有良好柔性與穿戴舒適性外，還具有高精度，抗身體運動干擾的優勢，并實現在日常運動過程中（在跑步或騎自行車時）實時檢測動脈脈搏信號，有望用于個性化診斷（Nano Energy, 2019）。

  以上工作得到了國家自然科學基金（51573203）、中科院前沿科學重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）、中科院國際合作重點項目（174433KYSB20170061）等的資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.02.036