郑州大学《Mater. Horiz.》：基于真空热压成型的类蘑菇三维多级结构的电子皮肤

2023-10-05 来源：高分子科技

电子皮肤(e-skin)是未来可穿戴电子器件的重要组成部分之一，通过在其灵敏层制备微结构阵列可以提高其传感性能。目前制备的微结构阵列通常情况下具有单一的结构使得电子皮肤难以平衡其灵敏度和压力传感范围，并且大多数制备技术较为复杂，基体材料较为单一。为此，通过一种简单高效的方法制备出常用热塑性高分子微结构阵列并应用于高灵敏度和大压力传感范围的电子皮肤具有重要意义。

常用热塑性高分子材料具有价格低廉、易熔体成型加工等优点，热压是热塑性高分子材料常用的成型方法之一，如果采用热压来制备热塑性高分子材料微结构阵列，将有助于挖掘热塑性高分子材料的功能潜力。为此，郑州大学材料学院提出一种高效制备压阻式电子皮肤的方法，如图1，采用真空热压的方法在热塑性聚氨酯（TPU）膜表面制备了类蘑菇三维多级结构并将其作为电子皮肤的灵敏层，基于微铣削技术制备的叉指电极作为电极层。有趣的是，该电子皮肤能够通过获取的生理参数实时精确地监测健康状况。此外，它还可以实现手势识别和感知压力刺激的轨迹。

图1. 类蘑菇三维多级结构/叉指电极电子皮肤的结构设计及应用

如图2，具有类似于自然界中蘑菇的“菌柄-菌盖-菌褶”三维多级结构的类蘑菇结构（直径250 μm，间距200 μm）均匀地排布在在TPU膜表面。同时多壁碳管（MMTC）也均匀地分布在了具有类蘑菇三维多级结构的TPU膜表面。通过微铣削技术和刮涂银浆的技术成功地制备了叉指电极（指电极宽度为250 μm，指电极间距为200 μm）。由于类蘑菇三维多级结构的尺寸与指间电极的尺寸完美的匹配，使得组装的电子皮肤中类蘑菇结构和指电极凹槽之间形成“互锁结构”。

图2. 类蘑菇三维多级结构和叉指电极的表面形貌

如图3和图4，得益于电子皮肤中类蘑菇结构和指电极凹槽之间的“互锁结构”，类蘑菇三维多级结构/叉指电极电子皮肤在压缩中表现出优异的传感性能，包括高的灵敏度（最大灵敏度为600 kPa^–1），宽的压力传感范围（宽达150 kPa），较快的响应时间（20 ms），低的检测限（5 Pa）和良好的耐久性（15000次压缩/回复循环测试）。

图3. 类蘑菇三维多级结构/叉指电极电子皮肤的传感机理

图4. 类蘑菇三维多级结构/叉指电极电子皮肤的传感性能

如图5，类蘑菇三维多级结构/叉指电极电子皮肤在可穿戴领域展示出广泛的应用前景，不仅可以准确地监测人体不同部位的脉搏，还可以从已得的脉搏信号中获取并分析生理参数对人体进行健康监测及评估。此外，电子皮肤通过集成多个传感单元制备传感阵列，成功地将手指触摸的轨迹映射在二维区域，实现其在感知压力刺激轨迹中的应用。

图5. 该电子皮肤在健康监测和感知压力刺激轨迹中的应用

如图6，基于类蘑菇三维多级结构/叉指电极电子皮肤制备了智能手套，同时通过无线传输设备可以检测到智能手套中每个手指弯曲的信号，进而可以无线地识别各种手势。此外，对该电子皮肤进行简单的封装后贴在手指上，潜水员可以通过有节奏地按压/释放手指，发出“危险”的信息，提醒同伴，或发出“Help”和“SOS”的信息，寻求帮助。

图6. 该电子皮肤在手势识别和水下摩斯密码识别中的应用

这一研究成果表明基于简单的制备技术和巧妙的“互锁结构”设计，以实现具有优异传感性能的电子皮肤，该研究成果将为面向未来的智能可穿戴电子皮肤的设计提供了一种经济、便捷的策略。

相关研究以“Mushroom-mimetic 3D hierarchical architecture-based e-skin with high sensitivity and wide sensing range for intelligent perception”为题发表在《Materials Horizons》上。郑州大学为第一作者单位，博士研究生张亚杰为论文第一作者，郑国强教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金项目、高校科技创新团队计划项目的资助。

全文链接：https://doi.org/10.1039/d3mh00679d

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（责任编辑：xu）

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