人體皮膚通常可以對觸覺信號的強度與位置同時產生準確的感知。而對于模擬人體皮膚結構與功能的柔性電子皮膚，其對壓力位置的感知通常依賴于高密度傳感陣列的制備，后端數據處理以及顯示裝置的集成，這種方式在降低數據直觀性的同時，其額外的電路設計與對外接顯示設備的依賴也大大抵消了柔性電子在便攜性與成本方面的優勢。另一方面，在電子皮膚中引入原位壓力可視化功能模塊，不僅可以提供所施加載荷的空間信息，還可以為輸入信息提供更加直觀的感知與交互平臺。
目前，在電子皮膚上實現壓力可視化的策略通常包括壓力驅動的發光與變色。通過壓力調控發光二極管內部的能帶結構，可以通過發光二極管光強與顏色的變化實現對壓力分布的顯示。然而這種方法盡管可以實現高空間分辨率，但像素化陣列設計對加工工藝有著較高要求，并且像素點之間的串擾也會顯著降低光學對比度。而通過電阻式壓力傳感器串聯電致變色器件，以歐姆分壓的方式調控電致變色器件的偏壓，通常只能引起顯示裝置的整體變色，而非壓力載荷的空間分布，因此提供的壓力位置信息非常有限。
這一體系不僅可以顯示靜態壓力分布，并且可以對動態壓力軌跡進行追蹤。其空間分辨率可達1mm以下，顏色對比度可達160nm。而通過調控器件的電壓方向，可以對顯示的壓力分布圖進行多次擦除以及重置（圖2a）。而在電學傳感中，這一體系也可以在20kPa范圍內產生均勻的電容信號，壓力分辨率可達2Pa，響應時間可達0.06秒。這種對壓力的電/光雙模響應可以在監測表皮信號中實現對皮膚形變大小與位置的同步監測，相對于傳統柔性壓力傳感器可以提供更加豐富的生理信息（圖2b）。
本工作提供了一種壓力傳感與顯示的全新策略，擺脫了傳統壓力顯示裝置對傳感陣列以及像素化顯示裝置加工的依賴。實現了高靈敏度、分辨率與對比度的電-光雙模壓力傳感，有望為基于電子皮膚的智能器件設計以及人機交互提供新的思路。
文章信息：Boyuan Shao?, Shun Zhang?, Yunfei Hu?, Zetao Zheng, Hang Zhu, Liu Wang, Lingyu Zhao, Fang Xu, Luyang Wang, Mu Li, Jidong Shi* Nano Lett. 2024, DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c04755
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.3c04755
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