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澳門大學周冰樸課題組 Small:集成三維仿生微纖毛結構的自粘性電子皮膚
2024-10-08  來源:高分子科技

  柔性電子皮膚(E-skin正因其有效的力電轉換特性而在穿戴式健康監測人機交互(HMI等方面吸引了廣泛的關注。然而,如何將柔性電子器件完好地貼合到人體皮膚上,并根據機械刺激實現保形變形和可識別的電反饋,仍然是一項挑戰。有鑒于此,澳門大學周冰樸團隊與中國科學院深圳先進院張國平團隊合作,研制了一種可牢固附著在人體皮膚以感知機械刺激的自粘性電子皮膚。該電子皮膚的粘合層使用激光誘導固化PDMS(聚二甲基硅氧烷),可確保E-skin與附著表面(如人體皮膚)之間的牢固連接。E-skin在曲面上保形性附著,保證了其在機械形變過程中能夠準確捕獲不同方向的關節變形以輸出相應電信號。另外,三維仿生設計模仿了自然界中的微纖毛結構,如昆蟲的觸角,能夠靈敏地檢測細微壓力變化,提供高分辨率的觸覺反饋。


1 (a) 基于自粘性電子皮膚傳感交互界面示意圖;(b) 無粘性電子皮膚與人體皮膚分離會導致信號傳輸不穩定示意圖;(c) 表面帶有三維微纖毛結構的電子皮膚示意圖;(d) 手腕彎曲時非粘性和粘性E-skin的貼合對比示意圖;(e) 彎曲過程中粘附在腕關節上的粘性和非粘性E-skin對比圖像。


  作者通過優化聚二甲基硅氧烷(PDMS)基材和激光誘導交聯反應的參數,制備具有缺陷網絡的PDMS,從而實現模量區域化的表面自粘E-skin粘合層。其較高的拉伸性和魯棒性有利于電子皮膚在各類關節彎曲、表皮拉伸和按壓的應用場景。 在此基礎上,結合外加磁場的輔助作用,該工作實現了PDMS/CNT復合導電微纖毛陣列的原位制備。通過優化其中的力學性能、力-電轉化效率及機械穩定性,該三維電子皮膚可準確識別壓力、拉伸應力,以及關節處不同方向的彎曲形變,并輸出非重疊信號以利于電子終端的信號區分。


2 (a) 激光固化制備具有粘附特性的功能層工藝示意圖(b) 基于不同磁場強度和鐵磁成分比例的微纖毛形態變化和性能示意圖(c) 貼附于人體皮膚的自粘性E-skin圖像及其表面微纖毛的掃描電鏡圖像。


  由于E-skin具有出色的自粘性和對機械刺激的非重疊信號,因此其作為可穿戴輸入終端可有效實現更多應用,包括莫爾斯電碼通信、多維度機器人控制以及人機交互(HMI)指令傳輸。圖3a描述了手腕向內和向外彎曲角度的定義。當手腕向內彎曲時,傳感器受到擠壓,表面微纖毛相互接觸,為負角度;相反,如果手腕向外彎曲,傳感器被拉伸,表面微纖毛相互分離,電阻的增加則被定義為正角度。非重疊的電信號可按需定義而實現更有效的莫爾斯電碼傳輸。當手腕從-45°-30°-15°彎曲到15°30°45°時,E-skin可通過在負和正方向上提供相應的電阻變化來精確監測該動態過程(圖3b-c),并實現了類鼠標左右鍵的手腕操作展示(圖3d)。文中亦展示了如何通過多器件的協同匹配,實現更高效的交互式應用場景。


3 (a) 人體手腕向內和向外彎曲以檢測相對電阻變化的示意圖;(b) 手腕彎曲不同角度時,自粘性E-skin傳感器的電阻響應;(c) 自粘性E-skin附著在人的手腕上,通過向內和向外的彎曲生成摩爾斯電碼的定義(d) 模擬鼠標功能的組合式自粘性E-skin傳感器演示。


  相關研究成果以“Self-Adhesive Electronic Skin with Bio-inspired 3D Architecture for Mechanical Stimuli Monitoring and Human-machine Interactions”為題發表在《Small》。文章第一作者為澳門大學應用物理及材料工程研究院博士生代文雪。該工作受到了澳門科學技術發展基金(0088/2021/A2, 006/2022/ALC的經費支持。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202406564

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(責任編輯:xu)
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