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澳門大學(xué)周冰樸課題組 ACS Nano：可因應(yīng)“壓力”、“拉力”而輸出非重疊電信號(hào)的透氣、防水柔性電子皮膚

2022-07-22 來(lái)源：高分子科技

關(guān)鍵詞：電子皮膚透氣防水應(yīng)變/應(yīng)力感應(yīng) 人機(jī)交互

作為人體最大的器官，皮膚在人類與周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)交互中扮演著重要的角色。近年來(lái)，隨著柔性電子、人體修復(fù)術(shù)、軟體機(jī)器人等學(xué)科的發(fā)展，可模擬人體皮膚感知功能的柔性電子皮膚也漸漸引起了人們的關(guān)注。除了模擬類皮膚的機(jī)械感知功能之外，如何避免電信號(hào)的重疊串?dāng)_，則使得單個(gè)傳感器能否輸出非重疊的信息具有重要的意義。此外，若電子皮膚還具備一定的透氣性及防水性，則能優(yōu)化其在長(zhǎng)時(shí)間佩戴中的舒適性，并為其在不同場(chǎng)景中（如水下、雨天等）的可靠應(yīng)用提供可能性。

有鑒于此，澳門大學(xué)周冰樸研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種兼具透氣性與防水功能的多孔柔性電子皮膚，可靈敏感知并識(shí)別外界或人體“壓力”、“拉力”。該傳感器不僅具有透氣和防水特性，而且能夠在不同方式的力學(xué)刺激下輸出可區(qū)分的電學(xué)信號(hào)，因而有望在多場(chǎng)景的穿戴式實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)及多模式的人機(jī)交互、智能控制等場(chǎng)合發(fā)揮作用。相關(guān)研究成果以“Breathable and Waterproof Electronic Skin with Three-Dimensional Architecture for Pressure and Strain Sensing in Nonoverlapping Mode”為題發(fā)表在《ACS Nano》。文章第一作者為澳門大學(xué)應(yīng)用物理及材料工程研究院博士生雷銘。該工作受到了澳門科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金（0088/2021/A2, 0026/2020/AGJ）與廣東省科技廳聯(lián)合基金（2021A0505080004）的經(jīng)費(fèi)支持。

圖1 電子皮膚的制備及傳感機(jī)理示意圖。（a）電子皮膚的組成、結(jié)構(gòu)及傳感機(jī)制。（b）基于磁場(chǎng)作用下的電子皮膚完整制備過(guò)程。（c）三維微纖毛表面及透氣微孔的形成示意圖。（d）壓力或拉伸的機(jī)械刺激下輸出非重疊電信號(hào)的機(jī)理。

該工作利用磁力、表面張力、重力的協(xié)同效應(yīng)，使得電子皮膚的三維纖毛陣列可在外加磁場(chǎng)的作用下自發(fā)形成；而由于納米材料及結(jié)構(gòu)的團(tuán)聚作用，多孔表面可在制備過(guò)程中隨著溶劑的揮發(fā)和磁場(chǎng)的限制而產(chǎn)生。文章系統(tǒng)研究了如何通過(guò)不同參數(shù)的協(xié)同調(diào)控，來(lái)優(yōu)化電子皮膚的三維形貌及電學(xué)性能，使得其可靈敏感知并識(shí)別外界、人體的“壓力”或“拉力”，并能夠兼具有透氣效果和防水功能。孔隙結(jié)構(gòu)的存在則利于穿戴中汗液的揮發(fā)而提升舒適性，而三維表面結(jié)構(gòu)的存在則避免了液體串?dāng)_電信號(hào)的影響。同時(shí)，文章亦討論了如何利用磁力團(tuán)聚效應(yīng)來(lái)平衡三維結(jié)構(gòu)與多孔基底，以實(shí)現(xiàn)透氣性、壓力感知及拉伸穩(wěn)定性的同步優(yōu)化。此工作綜合展示了該電子皮膚的全方位檢測(cè)功能，包括面部表情識(shí)別、足底壓力動(dòng)態(tài)感知、關(guān)節(jié)彎曲監(jiān)控等。同時(shí)，得益于能因應(yīng)不同的機(jī)械輸入（壓力、拉力）而輸出非重疊信號(hào)，該電子皮膚亦顯示了其在不同的人機(jī)交互界面如摩斯密碼傳輸、機(jī)器人控制、多指令系統(tǒng)等方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

圖2 電子皮膚的多方位性能表征。（a）基于不同質(zhì)量配比的碳納米管及炭黑（CNT/CB）以調(diào)控孔隙率和透氣性。（b）電子皮膚的拉伸性能在不同CNT/CB配比下的對(duì)比及優(yōu)化。（c）透氣性的驗(yàn)證（鹽酸揮發(fā)實(shí)驗(yàn)），及綜合考慮透氣性和拉伸穩(wěn)定性的電子皮膚制備參數(shù)相圖。（d）疏水性能的表征，包括接觸角測(cè)試、銀鏡效應(yīng)，及液滴彈跳的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等。（e）傳感器在拉伸及施壓狀態(tài)下的電阻正負(fù)非重疊變化趨勢(shì)。（f）可拉伸電子皮膚在抗液滴干擾的穩(wěn)定性應(yīng)用驗(yàn)證。

圖3 電子皮膚在穿戴式力學(xué)監(jiān)測(cè)及人機(jī)交互中的應(yīng)用展示。（a）傳感器用于實(shí)時(shí)的關(guān)節(jié)應(yīng)力感知，壓力捕捉及足底壓強(qiáng)測(cè)試，可通過(guò)電信號(hào)的正負(fù)趨勢(shì)而反饋所施加的機(jī)械輸入。（b）利用非重疊信號(hào)，采用壓力與應(yīng)力的協(xié)同輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)快速的摩斯密碼轉(zhuǎn)化。（c）采用單獨(dú)的傳感器件，利用應(yīng)力與壓力實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的雙向模式運(yùn)動(dòng)。（d）利用兩個(gè)完全相同的傳感器，依據(jù)電阻值的正負(fù)變化而定義為“1”與“-1”，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容后的多指令傳輸系統(tǒng)。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c04188

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（責(zé)任編輯：xu）

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