澳门大学周冰朴课题组 ACS Nano：可因应“压力”、“拉力”而输出非重叠电信号的透气、防水柔性电子皮肤

2022-07-22 来源：高分子科技

作为人体最大的器官，皮肤在人类与周围环境的实时交互中扮演着重要的角色。近年来，随着柔性电子、人体修复术、软体机器人等学科的发展，可模拟人体皮肤感知功能的柔性电子皮肤也渐渐引起了人们的关注。除了模拟类皮肤的机械感知功能之外，如何避免电信号的重叠串扰，则使得单个传感器能否输出非重叠的信息具有重要的意义。此外，若电子皮肤还具备一定的透气性及防水性，则能优化其在长时间佩戴中的舒适性，并为其在不同场景中（如水下、雨天等）的可靠应用提供可能性。

有鉴于此，澳门大学周冰朴研究团队设计出一种兼具透气性与防水功能的多孔柔性电子皮肤，可灵敏感知并识别外界或人体“压力”、“拉力”。该传感器不仅具有透气和防水特性，而且能够在不同方式的力学刺激下输出可区分的电学信号，因而有望在多场景的穿戴式实时健康监测及多模式的人机交互、智能控制等场合发挥作用。相关研究成果以“Breathable and Waterproof Electronic Skin with Three-Dimensional Architecture for Pressure and Strain Sensing in Nonoverlapping Mode”为题发表在《ACS Nano》。文章第一作者为澳门大学应用物理及材料工程研究院博士生雷铭。该工作受到了澳门科学技术发展基金（0088/2021/A2, 0026/2020/AGJ）与广东省科技厅联合基金（2021A0505080004）的经费支持。

图1 电子皮肤的制备及传感机理示意图。（a）电子皮肤的组成、结构及传感机制。（b）基于磁场作用下的电子皮肤完整制备过程。（c）三维微纤毛表面及透气微孔的形成示意图。（d）压力或拉伸的机械刺激下输出非重叠电信号的机理。

该工作利用磁力、表面张力、重力的协同效应，使得电子皮肤的三维纤毛阵列可在外加磁场的作用下自发形成；而由于纳米材料及结构的团聚作用，多孔表面可在制备过程中随着溶剂的挥发和磁场的限制而产生。文章系统研究了如何通过不同参数的协同调控，来优化电子皮肤的三维形貌及电学性能，使得其可灵敏感知并识别外界、人体的“压力”或“拉力”，并能够兼具有透气效果和防水功能。孔隙结构的存在则利于穿戴中汗液的挥发而提升舒适性，而三维表面结构的存在则避免了液体串扰电信号的影响。同时，文章亦讨论了如何利用磁力团聚效应来平衡三维结构与多孔基底，以实现透气性、压力感知及拉伸稳定性的同步优化。此工作综合展示了该电子皮肤的全方位检测功能，包括面部表情识别、足底压力动态感知、关节弯曲监控等。同时，得益于能因应不同的机械输入（压力、拉力）而输出非重叠信号，该电子皮肤亦显示了其在不同的人机交互界面如摩斯密码传输、机器人控制、多指令系统等方面的应用优势。

图2 电子皮肤的多方位性能表征。（a）基于不同质量配比的碳纳米管及炭黑（CNT/CB）以调控孔隙率和透气性。（b）电子皮肤的拉伸性能在不同CNT/CB配比下的对比及优化。（c）透气性的验证（盐酸挥发实验），及综合考虑透气性和拉伸稳定性的电子皮肤制备参数相图。（d）疏水性能的表征，包括接触角测试、银镜效应，及液滴弹跳的实验验证等。（e）传感器在拉伸及施压状态下的电阻正负非重叠变化趋势。（f）可拉伸电子皮肤在抗液滴干扰的稳定性应用验证。

图3 电子皮肤在穿戴式力学监测及人机交互中的应用展示。（a）传感器用于实时的关节应力感知，压力捕捉及足底压强测试，可通过电信号的正负趋势而反馈所施加的机械输入。（b）利用非重叠信号，采用压力与应力的协同输入来实现快速的摩斯密码转化。（c）采用单独的传感器件，利用应力与压力实现机械臂的双向模式运动。（d）利用两个完全相同的传感器，依据电阻值的正负变化而定义为“1”与“-1”，从而实现扩容后的多指令传输系统。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c04188

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（责任编辑：xu）

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