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陜科大王學川/劉新華：結合“自上而下”策略與三重結構設計構建的高彈性天然動物皮衍生電子皮膚 - 用于實時精確的應變和振動信號傳感

2023-12-04 來源：高分子科技

近日，陜西科技大學生物質與功能材料研究所王學川、劉新華團隊報道了一種具備優異拉伸強度（8.76 MPa）、彈性（0-180%）、抗凍能力、保濕性、電導率（6.3 S/m）以及出色多維傳感能力的電子皮膚，該電子皮膚兼具慢速自適應電阻式應變傳感器和快速自適應單電極摩擦納米發電機的功能，可用于模擬人體自然觸覺，實時監測來自人體的多種低頻生理和運動信號以及來自手機和電機等設備的高頻振動信號。相關研究成果發表于國際材料科學領域頂級期刊Nano Energy上。

皮膚是人體最大的器官，不僅能夠為內部器官提供保護作用，還具有神經網絡來檢測外界作用力刺激。研究表明，人類皮膚具有慢速和快速適應性機械感受器，能夠對包括壓力和振動等多種機械刺激作出特征性反應。電子皮膚（e-skin）是一種新型的傳感器，可以模仿人類皮膚的感知功能，讓機器人產生“觸覺”。截至目前，大量報導的電子皮膚是通過電阻、電容或結構色的變化來模擬慢適應性機械感受器而實現低頻應變信號傳感，然而關于模擬快速適應性機械感受器而實現振動信號傳感的電子皮膚的研究鮮見報道。

圖1. S-P/G@PU e-skin的設計與應用示意圖

基于此，該研究通過結合“自上而下”策略和三重結構設計開發了一種基于天然動物皮的具有優異彈性的電子皮膚（S-P/G@PU e-skin），可用于實時精確的應變和振動信號傳感。S-P/G@PU e-skin在不需要提取膠原蛋白的情況下，保留了山羊皮中天然膠原纖維編織的三維網絡結構，并作為該電子皮膚的基礎框架，同時還引入了聚吡咯，甘油和聚氨酯薄膜等功能材料。S-P/G@PU e-skin具有獨特的結構組成，底層為三維網狀結構，上層為多孔結構和屈曲結構，這些結構可通過控制天然動物皮厚度以及聚吡咯和甘油的用量進行有效的調控。S-P/G@PU e-skin成功融合了天然動物皮、聚吡咯、甘油和聚氨酯薄膜的固有結構和性能，展現出優異的韌性、彈性、防凍性、保濕性、導電性、應變和振動敏感性。值得關注的是，S-P/G@PU e-skin可以模擬自然觸覺，作為混合機械感受器（包括慢速自適應電阻應變傳感器和快速自適應單電極摩擦電納米發電機）檢測廣泛的低頻人體生理和運動信號以及識別來自手機和電機等設備的高頻振動信號。因此，S-P/G@PU e-skin可以實現模仿人類皮膚，在集成式柔性可穿戴設備、人機界面和人工智能等領域具有極大的應用前景。

圖2. P/G-Skin的微觀結構

圖3. S-P/G@PU e-skin的機械性能

圖4. S-P/G@PU e-skin的導電性和低頻應變傳感性能

圖5. S-P/G@PU e-skin的高頻振動傳感性能

相關成果以“Robust Integration of “Top-Down” Strategy and Triple-structure Design for Nature-Skin derived E-Skin with Superior Elasticity and Ascendency Strain and Vibration Sensitivity”為題發表在Nano Energy（DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.109142）上。陜西科技大學博士研究生白忠薛為本論文的第一作者，通訊作者為陜西科技大學王學川教授、劉新華副教授和岳歐陽博士。感謝國家自然科學基金項目（2207081675、22278257和22308209），中國博士后基金項目（2021M692000和2023M732159）、陜西省重點研發計劃項目（2022GY‐272）和陜西省教育廳重點科學研究計劃項目（22JY013）對本工作的大力支持！

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.109142

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（責任編輯：xu）

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