韩国延世大学Cheolmin Park院士团队《Device》：一种可降解的具有双模触觉感知的蚕丝基自供能皮肤

2024-10-25 来源：高分子科技

人体皮肤的慢适应（SA）和快适应（FA）机械感受器能够对外界各种频率的机械刺激做出灵敏响应，形成触觉感知。为了精确模拟和重构皮肤的触觉功能，电子皮肤需要同时模拟SA和FA机械感受器的功能以感知静态压力和动态振动。通常，双模电子皮肤或仿生机械感受器包含两种类型的传感器，一种为基于摩擦电/压电效应的振动传感器，另一种为基于压阻或电容变化的压力传感器。近年来，随着触觉电子皮肤的功能和复杂度不断提高，器件本身的不可回收性，高能耗，对人体潜在的毒性，高加工成本等问题随之出现。因此，开发基于天然蛋白质材料的双模自供能电子皮肤为解决上述问题提供了有效路径。

近日，延世大学Cheolmin Park院士课题组报道了一种基于丝素蛋白-植酸-甘油复合膜（SF-PA-G）的双模自供能电子皮肤（EG Skin）。如图1所示。该EG Skin在SF-PA-G膜的基础上集成了湿气发电机（MEG）和摩擦发电机（TENG）两种能源收集器，能够将外界的湿气和机械刺激转化为电能。且SF-PA-G膜在蛋白酶溶液中可以实现降解。进一步地，MEG和TENG可以分别用来模拟皮肤的SA和FA感受器实现对外界各种频率的机械刺激的感知。图2介绍了基于SF-PA-G膜的MEG发电性能输出。在高湿度下（85% RH），单个MEG可实现1V电压和110 μA/cm^-2电流密度的连续输出，且能够通过串并联进一步提高输出。图3解释了该MEG基于湿气诱导离子梯度发电的工作机理。图4展示了由SF-PA-G膜和PFA膜构建的接触分离型TENG器件的性能输出，以及TENG与MEG的整合策略。MEG和TENG的整合可以实现互补的电压电流输出（22V和18μA），最高实现8.4 μW/cm^-2的功率密度输出，且整合后功率密度在不同湿度下能保证稳定输出。图5展示了MEG和TENG分别作为压力传感器和振动传感器的工作原理以及传感性能，并进一步探究了EG Skin不同频率机械刺激下MEG和TENG的耦合响应关系（图6）。在实际应用方面，MEG和TENG的自供电信号可以用来模拟防伪型的摩斯码，以及可以用来驱动人工突触器件（图7）。

图1. EG Skin的设计示意图和材料表征

图2. SF-PA-G的MEG性能表征

图3. SF-PA-G MEG的工作原理

图4. 基于TENG的动态能量收集性能以及MEG+TENG整合后的双模能量收集性能

图5. EG skin的触觉传感工作机制以及传感性能

图6. MEG+TENG的耦合作用分析

图7. EG skin的实际应用展示

该工作以“A biodegradable silk-based energy-generating skin with dual-mode tactile perception”为题目发表在Cell姊妹刊《Device》上，文章第一作者是延世大学新材料工程系在读博士生李胜优，赵凯莹博士，和研究教授昝广涛博士。通讯作者为Cheolmin Park院士。该研究得到韩国国家自然科学基金的支持。

原文链接：https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(24)00483-6

PI简介：Cheolmin Park 教授，韩国科学技术院院士，韩国工程院院士，延世大学（QS 56）Underwood杰出教授。目前担任Director of BK21 Education and Research Division for Futuristic Human-centric Materials, Director of Center for Artificial Synesthesia Materials Discovery，以及Board of Directors in Materials Research Society (MRS)。他于1992年和1995年在首尔国立大学获得学士和硕士学位， 2001年在麻省理工学院获得博士学位，2001-2022年，在哈佛大学担任博士后研究员。2002年9月起，在延世大学成立Nanopolymer课题组，研究方向涉及铁电聚合物，自组装嵌段共聚物，电致发光材料，钙钛矿以及低维纳米材料，并探索其在柔性传感，发电和交互显示器件的广泛应用。迄今已在Nature materials, Nature communications, Science advance, Advanced materials等期刊发表270多篇SCI论文。

课题组网站：https://yonseinpl.wixsite.com/nanopolymer

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（责任编辑：xu）

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