中大吴进/南工霍峰蔚/川大张晟 AFM：一种基于水凝胶微结构的透气、可拉伸和自校准的多模态电子皮肤及无线穿戴式应用

2024-04-21 来源：高分子科技

可穿戴和生物兼容性设备在医疗保健、软机器人、人机交互、环境监测等领域有着广阔的应用前景。开发电子皮肤（e-skin）是实现仿生可穿戴和生物兼容设备的有效手段。电子皮肤有望具备良好的透气性、高伸展性和选择性检测多种刺激的能力，从而提高长期佩戴的舒适性、检测精度和应用范围。基于传统传感材料（如碳纳米材料、纳米线、金属纳米结构和导电聚合物）的电子皮肤已被广泛研究，但其拉伸性有限，透气性差，降低了佩戴舒适度、测量精度和设备可靠性。水凝胶具有固有的高拉伸性、多刺激响应性和生物相容性，是制造下一代电子皮肤的理想材料之一。然而，由于其具有多刺激响应性，在先进的电子皮肤系统（包括但不限于基于水凝胶的系统）中，不同种类的传感信号的串扰导致严重的信号读取误差，限制了其实际应用。因此，亟需设计一种基于水凝胶的透气、可拉伸和自校准的多模态电子皮肤，以准确检测多刺激响应复合信息，用于新兴的医疗保健领域。

由于各种制备策略提高了水凝胶的综合性能，近年来在开发基于水凝胶的多模态电子皮肤方面取得了重要进展。然而，先前报道的基于水凝胶的电子皮肤要么无法同时检测多个刺激（应变、温度和湿度），要么无法分离混合刺激信号进行自校准的准确检测，导致严重的信号相互干扰，也限制了其在实际生活中的应用。为了解决这一问题，本文设计了一种基于多种水凝胶微结构的透气、可拉伸和自校准的多模态电子皮肤，不仅可以检测多个刺激（应变、温度和湿度），还可以通过简单的策略实现应变/温度/湿度的自校准检测。此外，通过盐模板法制备了多孔弹性体薄膜，作为基底和封装层有效提升了器件的透气性，提高了佩戴舒适性，同时保持了高拉伸性。该电子皮肤表现出令人印象深刻的传感性能，包括低应变检测限（0.03%）、应变线性度（R2=0.990）、高温度灵敏度（1.77%/℃）和宽湿度检测范围（33-98% RH）。此外，通过将电子皮肤与无线电路集成，创建了富有个性的人机交互系统，用于简单的手势识别和温度监测。本工作为未来设计具有低成本、透气性、可拉伸性和自校准的多模态电子皮肤提供了思路。相关工作以“A Breathable, Stretchable, and Self-Calibrated Multimodal Electronic Skin Based on Hydrogel Microstructures for Wireless Wearables”为题发表在Advanced Functional Materials上。通讯作者为中山大学电子与信息工程学院吴进副教授、南京工业大学柔性电子（未来技术）学院霍峰蔚教授和四川大学高分子材料工程国家重点实验室的张晟教授。共同第一作者为中山大学研究生王伟燕、姚帝杰和王浩。

图1 多模态电子皮肤的结构示意图，应变/温度/湿度传感机理，自校准检测机理及其实际应用：人体生理信号监测、智能假肢

多模态电子皮肤将聚丙烯酰胺/海藻酸钙水凝胶纤维作为应变/温度传感模块，聚丙烯酰胺/卡拉胶水凝胶薄膜作为湿度传感模块，具备多孔结构的弹性封装膜作为衬底和封装层。通过对水凝胶纤维进行特殊的结构设计（蛇形和直线形），使得不同结构在不同方向上具备不同的应变灵敏度和相同的温度灵敏度，从而实现应变/温度的自校准检测。

图2多模态电子皮肤的制备流程及电子皮肤的透气性和拉伸性表征

利用模具法制备聚丙烯酰胺/海藻酸钙水凝胶纤维，进一步通过浸泡LiBr溶液得到抗冻且保湿的水凝胶纤维。通过二苯甲酮处理，实现聚丙烯酰胺/卡拉胶水凝胶薄膜与弹性体薄膜的界面交联。将水凝胶纤维作为内层传感模块，由模板法制备得到的多孔弹性封装膜作为衬底和封装膜，水凝胶薄膜集成在外部，得到多模态电子皮肤。该电子皮肤具备良好的透气性，是基于无孔封装膜的电子皮肤的透气性的4倍。不仅如此，它还具备了良好的拉伸性，可承受100%拉伸而不发生层间破裂。

图3 多模态电子皮肤在X方向上的传感性能及对应变/温度的自校准检测

由于蛇形纤维和直纤维在不同方向上的应变灵敏度不同，分别用于应变和温度传感，具体分工由应变方向决定。当用于X轴应变传感时，直纤维的应变灵敏度（GF=2.74）远大于蛇形纤维（GF=0.45），因此直纤维作为应变传感器，蛇形纤维作为温度传感器。电子皮肤不仅具有低应变检测限（0.03%），还具有短响应时间/恢复时间（190 ms/158 ms）和良好的循环稳定性等性能。因此可以通过蛇形纤维获取外界温度，结合直纤维的复合响应图得到此时的应变，实现应变/温度双模态自校准检测。

图4 多模态电子皮肤在Y方向上的传感性能及对应变/温度的自校准检测

当应变方向从X方向转为Y方向时，直纤维和蛇形纤维的分工发生变化。此时，蛇形纤维具有更高的应变灵敏度（GF=1.59），作为应变传感器使用；而直纤维对应变相对不敏感。电子皮肤依旧展现出良好的应变/温度双模态传感性能，实现该方向上的应变/温度自校准检测的方法与前文类似。

图5 多模态电子皮肤的湿度传感性能及对应变/湿度/温度多种信息的自校准检测

通过二苯甲酮处理，使得水凝胶薄膜与多孔弹性体薄膜之间产生稳定的共价界面交联。利用弹性膜的疏水性以及Ecoflex预聚物的阻隔作用使得内层的水凝胶纤维具备良好的抗湿度干扰功能，而暴露在环境空气中的水凝胶薄膜则具备良好的湿度敏感性。对同一湿度的响应随着应变的增加而增加，随着温度的上升而上升。当检测应变/湿度时，通过应变敏感的纤维获取应变信息，结合薄膜复合响应解耦得到湿度信息；当检测温度/湿度时，通过任一纤维获取温度信息。再从复合响应中解耦得到湿度信息。由此实现了应变/温度/湿度三个参数中任意两个参数的自校准检测。

图6 多模态电子皮肤的实际应用：人体各关节运动、皱眉、呼吸及体温变化监测

多模态电子皮肤不仅可以用于检测人体大关节运动，还可以捕捉细微的皱眉运动，检测人体体温变化等，具有良好的实际穿戴式应用意义。

图7 多模态电子皮肤及其无线监测系统的实际应用：简单手势识别、温度实时检测、抓握不同温度水杯及不同环境温度下的呼吸监测

将多模态电子皮肤和无线电路结合，构筑出多模态无线传感器，实现手势识别和实时温度检测，同时，该电子皮肤在多参数应用场景中也展现了良好的应用前景，比如抓握不同热水、检测不同环境温度下的呼吸行为，以及在智能假肢和智能口罩领域都具有应用潜力。

论文信息：

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

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202316339

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（责任编辑：xu）

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