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中科院蘇州納米所張珽研究員團隊 AM：具有Janus結(jié)構(gòu)高機械強度的選擇性響應(yīng)柔性力學(xué)傳感器

2023-05-31 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：?仿生水性聚氨酯 Janus結(jié)構(gòu) 高機械強度選擇性響應(yīng) 柔性力學(xué)傳感器

兼具優(yōu)異機械性能與不同類型力選擇性響應(yīng)能力，是促進柔性力學(xué)傳感器件走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵難點之一。現(xiàn)有柔性感知器件主要是以敏感材料均質(zhì)薄膜來構(gòu)建，其組成單元各向同性的微觀結(jié)構(gòu)，使其在受彎曲、壓縮或拉伸等不同類型力時具有相同或相似的響應(yīng)模式，造成器件輸出感知信號相近并容易產(chǎn)生相互干擾、且需后端電路或數(shù)學(xué)模型來進行信息解耦處理等問題，同時優(yōu)異機械性能及自修復(fù)等特性對柔性器件在復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用穩(wěn)定性具有重要的實際意義。

圖1、具有Janus結(jié)構(gòu)PU-TA@MXene敏感薄膜梯度結(jié)構(gòu)及制備流程示意圖。

近期，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張珽研究員團隊提出以人體皮膚梯度結(jié)構(gòu)為仿生原型（圖1a），創(chuàng)新性利用單寧酸（TA）修飾后MXene（Ti₃C₂T_x）二維片層（圖1b）在水性聚氨酯（PU）中自由沉降相分離過程（圖1c），制備了具有PU層內(nèi)Ti₃C₂T_x相梯度分布仿生“非對稱（Janus）”結(jié)構(gòu)復(fù)合敏感薄膜材料（PU-TA@MXene，圖2a-c）。一方面，末端帶有豐富羥基官能團TA分子于MXene與PU基底之間形成大量氫鍵/共價鍵僑聯(lián)（圖2g），利用這些鍵合作用在受力過程中斷裂和重組性質(zhì)，賦予了敏感薄膜優(yōu)異的機械強度和自修復(fù)性能（圖3，斷裂伸長率達2056.67%、拉伸強度達50.78 MPa、自修復(fù)后機械強度保持率>90%），使敏感材料在復(fù)雜環(huán)境長期使用時信號輸出穩(wěn)定性得到提升。另一方面，仿生“非對稱（Janus）”結(jié)構(gòu)賦予了所構(gòu)建柔性力學(xué)傳感器對內(nèi)/外異向彎曲、壓力和拉力具有多功能選擇性響應(yīng)能力（圖4，壓力不響應(yīng)、MXene高梯度側(cè)彎曲電阻變小、其低梯度側(cè)彎曲電阻變大、拉伸輸出信號模式不同），與機器學(xué)習(xí)算法技術(shù)相結(jié)合能實現(xiàn)>96%的不同類型力識別效率（圖5）。進一步，將此高機械強度、選擇性響應(yīng)柔性力學(xué)傳感器件應(yīng)用于存在多狀態(tài)實時轉(zhuǎn)換的人體運動關(guān)節(jié)監(jiān)測方面，可實現(xiàn)對乒乓球、籃球、羽毛球等需要大量關(guān)節(jié)切換動作的運動項目實時監(jiān)控；同時，該柔性力學(xué)傳感器異向彎曲選擇性響應(yīng)能力，也可應(yīng)用于蛇形智能裝備在救援廢墟等復(fù)雜環(huán)境中通過實時識別自身運動方向和角度來探索和建立未知路徑軌跡（圖6）。該工作以“Multifunctional Flexible Sensor Based on PU-TA@MXene Janus Architecture for Selective Direction Recognition”為題發(fā)表在《Advanced Materials》（DOI: 10.1002/adma.202302847），文章第一作者是中科院蘇州納米所白菊碩士和谷文博士，通訊作者是李鐵項目研究員和張珽研究員。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金（杰青/面上）、中科院青促會、江西省杰青、江蘇省面上基金及蘇州市項目等支持。

圖2、具有Janus結(jié)構(gòu)PU-TA@MXene敏感薄膜形貌與結(jié)構(gòu)表征結(jié)果圖。

圖3、具有Janus結(jié)構(gòu)PU-TA@MXene敏感薄膜機械強度及自修復(fù)性能圖

圖4、基于PU-TA@MXene敏感薄膜柔性傳感器感知機理及選擇性響應(yīng)性能圖

圖5、基于PU-TA@MXene敏感薄膜柔性傳感器彎曲、壓力和拉力高效區(qū)分性能圖。

圖6、柔性傳感器在多狀態(tài)實時轉(zhuǎn)換運動關(guān)節(jié)監(jiān)測和裝備未知路徑探測應(yīng)用性能圖。

該工作是團隊關(guān)于多功能柔性傳感器相關(guān)研究的最新進展之一。均質(zhì)結(jié)構(gòu)柔性敏感材料反而往往會限制感知器件的選擇性響應(yīng)，為此團隊創(chuàng)新性利用自沉降相分離自組裝策略制備了具有仿生Janus結(jié)構(gòu)薄膜柔性力學(xué)傳感器件，實現(xiàn)了對內(nèi)/外異向彎曲、壓力和拉力不同類型力選擇性響應(yīng)能力，同時通過構(gòu)建薄膜內(nèi)氫鍵/共價鍵賦予了傳感器優(yōu)異機械強度和自修復(fù)性能，為其在實際應(yīng)用中穩(wěn)定性提供重要保障。另外，團隊也制備了一系列性能優(yōu)異的多功能柔性傳感器件，主要包括發(fā)展了柔性器件仿手指表皮一體疊層界面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，實現(xiàn)單一柔性觸覺傳感器件對靜態(tài)壓力、靜態(tài)摩擦力及動態(tài)摩擦力選擇性響應(yīng)能力（Research, 2020, 2020, 8910692; Nanoscale, 2019, 11, 5737.），結(jié)合與神經(jīng)識別模式相匹配脈沖頻率電信號轉(zhuǎn)換與機器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)（計量與測試技術(shù), 2020, 47(6), 1-4+8.），賦予了仿生假肢手、仿真機器人等智能裝備對物體冷/熱、干/濕狀態(tài)（Acc. Chem. Res. 2019, 52, 288; Small, 2018, 14(36), 1703902; Adv. Sci. 2017, 4, 1600404.）及材質(zhì)與種類（InfoMat, 2023, Accepted; npj Flexible Electronics, 2022, 6, 46; 中國科學(xué): 技術(shù)科學(xué), 2022, 62.）等類人手精細感知能力（圖7），并與上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等合作方開展了柔性觸覺傳感器在“人-器”融合方面工程驗證工作，應(yīng)用性能得到了合作單位的高度肯定。

圖7、仿手指皮膚一體化疊層界面結(jié)構(gòu)設(shè)計柔性觸覺傳感器及其應(yīng)用

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202302847

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（責(zé)任編輯：xu）

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