深圳技术大学史济东等 Nano Lett.：一种用于原位非像素化压力显示的可变色离子皮肤

2024-04-18 来源：高分子科技

人体皮肤通常可以对触觉信号的强度与位置同时产生准确的感知。而对于模拟人体皮肤结构与功能的柔性电子皮肤，其对压力位置的感知通常依赖于高密度传感阵列的制备，后端数据处理以及显示装置的集成，这种方式在降低数据直观性的同时，其额外的电路设计与对外接显示设备的依赖也大大抵消了柔性电子在便携性与成本方面的优势。另一方面，在电子皮肤中引入原位压力可视化功能模块，不仅可以提供所施加载荷的空间信息，还可以为输入信息提供更加直观的感知与交互平台。

目前，在电子皮肤上实现压力可视化的策略通常包括压力驱动的发光与变色。通过压力调控发光二极管内部的能带结构，可以通过发光二极管光强与颜色的变化实现对压力分布的显示。然而这种方法尽管可以实现高空间分辨率，但像素化阵列设计对加工工艺有着较高要求，并且像素点之间的串扰也会显著降低光学对比度。而通过电阻式压力传感器串联电致变色器件，以欧姆分压的方式调控电致变色器件的偏压，通常只能引起显示装置的整体变色，而非压力载荷的空间分布，因此提供的压力位置信息非常有限。

针对这一问题，深圳技术大学的史济东等人提出了一种结合压力传感与原位非像素压力显示的新型离子皮肤（图1a）。通过对电致变色器件中的离电界面进行图案化，可以实现由压力驱动的界面电荷传输，引起体系电容的变化并控制压力施加位置器件的局域化变色行为，从而对压力载荷的大小与分布进行表征（图1b）。

图1. （a）离子皮肤的对压力大小的检测与压力分布的原位显示示意图。（b）与工作原理.（b）离子皮肤在压力下电容变化与变色的机理示意图。

这一体系不仅可以显示静态压力分布，并且可以对动态压力轨迹进行追踪。其空间分辨率可达1mm以下，颜色对比度可达160nm。而通过调控器件的电压方向，可以对显示的压力分布图进行多次擦除以及重置（图2a）。而在电学传感中，这一体系也可以在20kPa范围内产生均匀的电容信号，压力分辨率可达2Pa，响应时间可达0.06秒。这种对压力的电/光双模响应可以在监测表皮信号中实现对皮肤形变大小与位置的同步监测，相对于传统柔性压力传感器可以提供更加丰富的生理信息（图2b）。

图2. （a）离子皮肤的对动态压力轨迹的原位显示以及擦除。（b）离子皮肤通过变色（左）以及电容变化（右）对手指关节运动形变产生双模响应。

本工作提供了一种压力传感与显示的全新策略，摆脱了传统压力显示装置对传感阵列以及像素化显示装置加工的依赖。实现了高灵敏度、分辨率与对比度的电-光双模压力传感，有望为基于电子皮肤的智能器件设计以及人机交互提供新的思路。

该工作以“Color-Shifting Iontronic Skin for On-Site, Nonpixelated Pressure Mapping Visualization”发表于国际知名期刊《Nano Letters》。文章第一作者为深圳技术大学工程物理学院的研究助理邵博源，2019级本科生张顺以及新材料与新能源学院的胡芸菲副教授。通讯作者为工程物理学院的史济东副教授。深圳技术大学工程物理学院为论文的第一单位。本工作也得到了国家自然科学基金、广东高校科研平台青年创新基金等项目的支持。

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

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.3c04755

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（责任编辑：xu）

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