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中大吳進/南工霍峰蔚/川大張晟 AFM：一種基于水凝膠微結構的透氣、可拉伸和自校準的多模態電子皮膚及無線穿戴式應用

2024-04-21 來源：高分子科技

可穿戴和生物兼容性設備在醫療保健、軟機器人、人機交互、環境監測等領域有著廣闊的應用前景。開發電子皮膚（e-skin）是實現仿生可穿戴和生物兼容設備的有效手段。電子皮膚有望具備良好的透氣性、高伸展性和選擇性檢測多種刺激的能力，從而提高長期佩戴的舒適性、檢測精度和應用范圍。基于傳統傳感材料（如碳納米材料、納米線、金屬納米結構和導電聚合物）的電子皮膚已被廣泛研究，但其拉伸性有限，透氣性差，降低了佩戴舒適度、測量精度和設備可靠性。水凝膠具有固有的高拉伸性、多刺激響應性和生物相容性，是制造下一代電子皮膚的理想材料之一。然而，由于其具有多刺激響應性，在先進的電子皮膚系統（包括但不限于基于水凝膠的系統）中，不同種類的傳感信號的串擾導致嚴重的信號讀取誤差，限制了其實際應用。因此，亟需設計一種基于水凝膠的透氣、可拉伸和自校準的多模態電子皮膚，以準確檢測多刺激響應復合信息，用于新興的醫療保健領域。

由于各種制備策略提高了水凝膠的綜合性能，近年來在開發基于水凝膠的多模態電子皮膚方面取得了重要進展。然而，先前報道的基于水凝膠的電子皮膚要么無法同時檢測多個刺激（應變、溫度和濕度），要么無法分離混合刺激信號進行自校準的準確檢測，導致嚴重的信號相互干擾，也限制了其在實際生活中的應用。為了解決這一問題，本文設計了一種基于多種水凝膠微結構的透氣、可拉伸和自校準的多模態電子皮膚，不僅可以檢測多個刺激（應變、溫度和濕度），還可以通過簡單的策略實現應變/溫度/濕度的自校準檢測。此外，通過鹽模板法制備了多孔彈性體薄膜，作為基底和封裝層有效提升了器件的透氣性，提高了佩戴舒適性，同時保持了高拉伸性。該電子皮膚表現出令人印象深刻的傳感性能，包括低應變檢測限（0.03%）、應變線性度（R2=0.990）、高溫度靈敏度（1.77%/℃）和寬濕度檢測范圍（33-98% RH）。此外，通過將電子皮膚與無線電路集成，創建了富有個性的人機交互系統，用于簡單的手勢識別和溫度監測。本工作為未來設計具有低成本、透氣性、可拉伸性和自校準的多模態電子皮膚提供了思路。相關工作以“A Breathable, Stretchable, and Self-Calibrated Multimodal Electronic Skin Based on Hydrogel Microstructures for Wireless Wearables”為題發表在Advanced Functional Materials上。通訊作者為中山大學電子與信息工程學院吳進副教授、南京工業大學柔性電子（未來技術）學院霍峰蔚教授和四川大學高分子材料工程國家重點實驗室的張晟教授。共同第一作者為中山大學研究生王偉燕、姚帝杰和王浩。

圖1 多模態電子皮膚的結構示意圖，應變/溫度/濕度傳感機理，自校準檢測機理及其實際應用：人體生理信號監測、智能假肢

多模態電子皮膚將聚丙烯酰胺/海藻酸鈣水凝膠纖維作為應變/溫度傳感模塊，聚丙烯酰胺/卡拉膠水凝膠薄膜作為濕度傳感模塊，具備多孔結構的彈性封裝膜作為襯底和封裝層。通過對水凝膠纖維進行特殊的結構設計（蛇形和直線形），使得不同結構在不同方向上具備不同的應變靈敏度和相同的溫度靈敏度，從而實現應變/溫度的自校準檢測。

圖2多模態電子皮膚的制備流程及電子皮膚的透氣性和拉伸性表征

利用模具法制備聚丙烯酰胺/海藻酸鈣水凝膠纖維，進一步通過浸泡LiBr溶液得到抗凍且保濕的水凝膠纖維。通過二苯甲酮處理，實現聚丙烯酰胺/卡拉膠水凝膠薄膜與彈性體薄膜的界面交聯。將水凝膠纖維作為內層傳感模塊，由模板法制備得到的多孔彈性封裝膜作為襯底和封裝膜，水凝膠薄膜集成在外部，得到多模態電子皮膚。該電子皮膚具備良好的透氣性，是基于無孔封裝膜的電子皮膚的透氣性的4倍。不僅如此，它還具備了良好的拉伸性，可承受100%拉伸而不發生層間破裂。

圖3 多模態電子皮膚在X方向上的傳感性能及對應變/溫度的自校準檢測

由于蛇形纖維和直纖維在不同方向上的應變靈敏度不同，分別用于應變和溫度傳感，具體分工由應變方向決定。當用于X軸應變傳感時，直纖維的應變靈敏度（GF=2.74）遠大于蛇形纖維（GF=0.45），因此直纖維作為應變傳感器，蛇形纖維作為溫度傳感器。電子皮膚不僅具有低應變檢測限（0.03%），還具有短響應時間/恢復時間（190 ms/158 ms）和良好的循環穩定性等性能。因此可以通過蛇形纖維獲取外界溫度，結合直纖維的復合響應圖得到此時的應變，實現應變/溫度雙模態自校準檢測。

圖4 多模態電子皮膚在Y方向上的傳感性能及對應變/溫度的自校準檢測

當應變方向從X方向轉為Y方向時，直纖維和蛇形纖維的分工發生變化。此時，蛇形纖維具有更高的應變靈敏度（GF=1.59），作為應變傳感器使用；而直纖維對應變相對不敏感。電子皮膚依舊展現出良好的應變/溫度雙模態傳感性能，實現該方向上的應變/溫度自校準檢測的方法與前文類似。

圖5 多模態電子皮膚的濕度傳感性能及對應變/濕度/溫度多種信息的自校準檢測

通過二苯甲酮處理，使得水凝膠薄膜與多孔彈性體薄膜之間產生穩定的共價界面交聯。利用彈性膜的疏水性以及Ecoflex預聚物的阻隔作用使得內層的水凝膠纖維具備良好的抗濕度干擾功能，而暴露在環境空氣中的水凝膠薄膜則具備良好的濕度敏感性。對同一濕度的響應隨著應變的增加而增加，隨著溫度的上升而上升。當檢測應變/濕度時，通過應變敏感的纖維獲取應變信息，結合薄膜復合響應解耦得到濕度信息；當檢測溫度/濕度時，通過任一纖維獲取溫度信息。再從復合響應中解耦得到濕度信息。由此實現了應變/溫度/濕度三個參數中任意兩個參數的自校準檢測。

圖6 多模態電子皮膚的實際應用：人體各關節運動、皺眉、呼吸及體溫變化監測

多模態電子皮膚不僅可以用于檢測人體大關節運動，還可以捕捉細微的皺眉運動，檢測人體體溫變化等，具有良好的實際穿戴式應用意義。

圖7 多模態電子皮膚及其無線監測系統的實際應用：簡單手勢識別、溫度實時檢測、抓握不同溫度水杯及不同環境溫度下的呼吸監測

將多模態電子皮膚和無線電路結合，構筑出多模態無線傳感器，實現手勢識別和實時溫度檢測，同時，該電子皮膚在多參數應用場景中也展現了良好的應用前景，比如抓握不同熱水、檢測不同環境溫度下的呼吸行為，以及在智能假肢和智能口罩領域都具有應用潛力。

論文信息：

A Breathable, Stretchable, and Self-Calibrated Multimodal Electronic Skin Based on Hydrogel Microstructures for Wireless Wearables

Weiyan Wang, Dijie Yao, Hao Wang, Qiongling Ding, Yibing Luo, Haojun Ding, Jiahao Yu, He Zhang, Kai Tao, Sheng Zhang*, Fengwei Huo* and Jin Wu*. Advanced Functional Materials, DOI: 10.1002/adfm.202316339

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202316339

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（責任編輯：xu）

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