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澳門大學(xué)周冰樸課題組 Small:集成三維仿生微纖毛結(jié)構(gòu)的自粘性電子皮膚
2024-10-08  來(lái)源:高分子科技

  柔性電子皮膚(E-skin正因其有效的力電轉(zhuǎn)換特性而在穿戴式健康監(jiān)測(cè)人機(jī)交互(HMI等方面吸引了廣泛的關(guān)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(jù)機(jī)械刺激實(shí)現(xiàn)保形變形和可識(shí)別的電反饋,仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。有鑒于此,澳門大學(xué)周冰樸團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)院張國(guó)平團(tuán)隊(duì)合作,研制了一種可牢固附著在人體皮膚以感知機(jī)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(dǎo)來(lái)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(jī)械形變過(guò)程中能夠準(zhǔn)確捕獲不同方向的關(guān)節(jié)變形以輸出相應(yīng)電信號(hào)。另外,三維仿生設(shè)計(jì)模仿了自然界中的微纖毛結(jié)構(gòu),如昆蟲的觸角,能夠靈敏地檢測(cè)細(xì)微壓力變化,提供高分辨率的觸覺(jué)反饋。


1 (a) 基于自粘性電子皮膚傳感交互界面示意圖;(b) 無(wú)粘性電子皮膚與人體皮膚分離會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸不穩(wěn)定示意圖;(c) 表面帶有三維微纖毛結(jié)構(gòu)的電子皮膚示意圖;(d) 手腕彎曲時(shí)非粘性和粘性E-skin的貼合對(duì)比示意圖;(e) 彎曲過(guò)程中粘附在腕關(guān)節(jié)上的粘性和非粘性E-skin對(duì)比圖像。


  作者通過(guò)優(yōu)化聚二甲基硅氧烷(PDMS)基材和激光誘導(dǎo)交聯(lián)反應(yīng)的參數(shù),制備具有缺陷網(wǎng)絡(luò)的PDMS,從而實(shí)現(xiàn)模量區(qū)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(guān)節(jié)彎曲、表皮拉伸和按壓的應(yīng)用場(chǎng)景。 在此基礎(chǔ)上,結(jié)合外加磁場(chǎng)的輔助作用,該工作實(shí)現(xiàn)了PDMS/CNT復(fù)合導(dǎo)電微纖毛陣列的原位制備。通過(guò)優(yōu)化其中的力學(xué)性能、力-電轉(zhuǎn)化效率及機(jī)械穩(wěn)定性,該三維電子皮膚可準(zhǔn)確識(shí)別壓力、拉伸應(yīng)力,以及關(guān)節(jié)處不同方向的彎曲形變,并輸出非重疊信號(hào)以利于電子終端的信號(hào)區(qū)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(chǎng)強(qiáng)度和鐵磁成分比例的微纖毛形態(tài)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(duì)機(jī)械刺激的非重疊信號(hào),因此其作為可穿戴輸入終端可有效實(shí)現(xiàn)更多應(yīng)用,包括莫爾斯電碼通信、多維度機(jī)器人控制以及人機(jī)交互(HMI)指令傳輸。圖3a描述了手腕向內(nèi)和向外彎曲角度的定義。當(dāng)手腕向內(nèi)彎曲時(shí),傳感器受到擠壓,表面微纖毛相互接觸,為負(fù)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(hào)可按需定義而實(shí)現(xiàn)更有效的莫爾斯電碼傳輸。當(dāng)手腕從-45°-30°-15°彎曲到15°30°45°時(shí),E-skin可通過(guò)在負(fù)和正方向上提供相應(yīng)的電阻變化來(lái)精確監(jiān)測(cè)該動(dòng)態(tài)過(guò)程(圖3b-c),并實(shí)現(xiàn)了類鼠標(biāo)左右鍵的手腕操作展示(圖3d)。文中亦展示了如何通過(guò)多器件的協(xié)同匹配,實(shí)現(xiàn)更高效的交互式應(yīng)用場(chǎng)景。


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


  相關(guān)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(fā)表在《Small》。文章第一作者為澳門大學(xué)應(yīng)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(xué)技術(shù)發(fā)展基金(0088/2021/A2, 006/2022/ALC的經(jīng)費(fèi)支持。


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

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