近期，河南科技大学陆昶教授团队在柔性可伸缩电子皮肤方面取得新进展。通过在柔性天然橡胶基底表面构建石墨烯竖直阵列，制得与人体皮肤类似的多功能感知能力的柔性电子皮肤。相关成果以标题为“Stretchable Vertical Graphene Arrays for Electronic Skin with Multifunctional Sensing Capabilities”发表在Chemical Engineering Journal上.

图1竖直石墨烯阵列的形态结构及其形成机理

  本文将天然胶乳薄膜直接浸泡于石墨烯/环己烷分散液中，环己烷在溶胀天然胶乳薄膜的同时，驱使石墨烯附着在薄膜表面。环己烷在挥发过程中，导致薄膜表面收缩。该过程一方面使得附着在薄膜表面的石墨烯相互挤压，使得石墨烯片只能部分粘附在薄膜表面。另一方面，天然胶乳薄膜是通过乳胶粒聚集形成，环己烷在溶胀薄膜过程中，会破坏乳胶粒子之间的界面，使得薄膜表面收缩过程中，乳胶颗粒之间形成间隙（图1a）。石墨烯片附着在薄膜的部分随着乳胶颗粒的变形而变形，使其被镶嵌在乳胶颗粒的空隙中，而石墨烯片未附着的部分则随着薄膜的收缩翘曲，形成了竖直阵列（图1b-d）。将表面双轴方向拉伸不同长度后，可观察到竖直阵列是由石墨烯部分翘起形成（图1e-f）。

图2 电子皮肤对压力、气流的响应行为

  电子皮肤对低至2.5Pa的压力即可产生响应，可检测到蜘蛛在其表面爬行时的响应信号（图2b-e）；且其只对压力和气流的施加或移除过程产生的响应，该响应特性是由于竖直石墨烯阵列的形貌特征决定的（图2f-g）。同时，电子皮肤还具有响应时间（6.7ms）及恢复时间（13.4ms）快、压力检测范围宽（2.5kPa~1.1 MPa）的特性（图2h-i）。

图3 电子皮肤对不同表面粗糙度物体的感知特性及其应用

  对于纤维状、颗粒状及鳞片状物体，如不同的纸张、不同目数的砂纸、头发，电子皮肤分别能感知其表面粗糙度的变化（图3a-c）。且电子皮肤在物体表面滑动产生的响应信号具有响应快、恢复慢的特性。利用该特性，可以识别毛笔在其表面的滑动方向（图3d-h）。

图4 电子皮肤对光和热的感知特性

  利用石墨烯对热的负温度效应，使得电子皮肤可用于感知光照和温差。对于光照，电子皮肤具有响应时间短、敏感性高的特性。在一个太阳光强下，0.5s的光照时间就可使电子皮肤电阻产生变化（图4a-d）。电子皮肤能对距离其30mm，且与其温差为±20 °C的物体产生响应（图4e-g）。电子皮肤对温差的高灵敏感知特性，使其可通过非接触的方式感知手掌的接近（图4h）；即便带上丁腈手套，电子皮肤仍可感知到手掌的接近。

图5 电子皮肤对应变的感知特性

  基于天然胶乳薄膜优异的可伸缩性，使得电子皮肤具有对应变的感知能力。其能感知到0.5%~250%的形变，且响应信号具有良好的稳定性（图5a-c）以及鲁棒性（图5g-h）。即使在100%的应变下，电子皮肤仍具备对压力和气流灵敏的感知能力（图5e）。

图6 电子皮肤用于实时监控人体及机械臂动作

  基于电子皮肤的多功能感知能力，使其具备对人体组合动作的检测能力。例如，可用于检测人体握拳-挥拳-松拳的动作（图6a-b）。同时，电子皮肤构成的阵列附着在机械臂夹具，可用于监控夹具的移动、非接触感知物体与电子皮肤的温差以及抓握物体等动作。

  姚大虎副教授、硕士研究生吴兰兰为论文共同第一作者，陆昶教授、高喜平副教授为论文共同通讯作者。河南科技大学为论文唯一署名单位。

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.134038