7月25日，材料学科领域知名期刊Advanced Functional Materials在线刊发了浙江理工大学纺织科学与工程学院（国际丝绸学院）余厚咏教授团队领衔完成，题为《Mass-producible 3D Hair Structure-editable Silk-Based Electronic Skin for Multi-Scenario Signal Monitoring and Emergency Alarming System》的研究成果，报道了团队对柔性传感材料设计的新突破。该文是纺织科学与工程学院（国际丝绸学院）今年1月来的第一篇AFM论文；硕士研究生葛丹第一作者，余厚咏教授为通讯作者，浙江理工大学为第一完成单位。

  随着智能机器人、智能可穿戴设备和人机交互 (HMI) 领域的研究不断推进，模仿人类皮肤的人造电子皮肤 (e-skins) 变得越来越重要，微观结构工程电子皮肤（e-skin）有利于推进可穿戴电子产品、假肢和人机交互（HMI）。然而，传统微观结构技术对电子皮肤的调控复杂且昂贵，工艺复杂难以实现大批量的生产，而且结构变形能力差导致检测范围小、灵敏度低。

  针对这一关键问题，余厚咏教授团队受皮肤毛发和昆虫毛刺结构的启发，对以 3D 仿生结构策略制造的P-silk/RG电子皮肤进行系统研究；研究发现P-silk/RG受益于这种3维结构的可编辑性（长度、位置），P-silk/RG具有信号选择性，长纤毛P-silk/RG表现出高灵敏度（响应微弱的信号气流），而短纤毛P-silk/RG表现出宽压力检测范围（0.5-200 g）和高循环稳定性（8000次压缩）。因此，不同形式的P-silk/RG用于不同的场景（长纤毛用于监测呼吸和咳嗽，用于运动检测和疾病诊断，短纤毛用于压力敏感的莫尔斯电码）。此外，P-silk/RG还具有良好的防水性、可编辑的导电点和易于设备集成等特点，为水下信息传输、多位编码命令输出、紧急运动事故和久坐预警等提供了基础。令人惊讶的是，将这种结构与纺织编织相结合可以批量生产。该研究这种3D仿生结构策略赋予了电子皮肤可编辑性，提高了场景适应性，为大批量生产提供了途径。

图1.人体皮肤和毛发的感觉机制示意图。仿生 P-silk/RG 电子皮肤的结构。电子皮肤的整体构成包括导电纤毛（P-silk）和底层柔性薄膜（RG薄膜）。导电纤毛P-silk作为主要传感单元，纤毛之间碰撞接触的变化带来信号变化。柔性RG薄膜作为连接基板，赋予电子皮肤一定的形变灵活性。

图2，P-silk/RG电子皮肤的不同部位的基础表征

  P-silk/RG兼顾了上层P-silk纤毛的灵敏性和易编辑的特点，和下层RG的柔韧灵活性。

图3，探究了不同长度纤毛的P-silk/RG的不同性能

  纤维具有一定的柔韧性，长纤维由于其柔软易变形，因此能捕获微弱气流信号，在气流的作用下，形成纤维分散点，导致导电网络变松散，电阻增大，在气流停止时，P-silk由于具有一定的韧性，会回复，填充分散点，从而导电网络变紧密，电阻回复变小。

  纤维越短刚性越强，纤维发生变形更困难，气流对难以改变短纤维的形态从而减少了纤维导电网络的改变，因此，电阻变化几乎可以忽略。然而短纤维P-silk/RG电子皮肤具有更高的按压信号的稳定性（Figure 3i），这是由于纤维变短，纤维的受压回复性越高、纠缠减少，在受压之后，可以更灵敏的恢复纤维形态，故而响应稳定性提高。

图4，长纤毛P-silk/RG可适用于人体呼吸监测

图5，短纤毛P-silk/RG适用于多场景应用并易于器件集成

  P-silk的优异变形能力可以赋予表面形貌的自适应弯曲行为，而RG薄膜的柔韧性使其具有柔性。通过P-silk/RG电子皮肤的可编辑性（P-silk的长度、种植位置），可以观察到不同的信号响应和信号选择。长纤毛气流对呼吸和咳嗽感应的响应可用于运动和呼吸诊断的预警和状态监测，这可以通过在口罩上和鼻子下粘贴P-silk/RG电子皮肤来实现。短纤毛电子皮肤还可用作高性能压力传感器，具有宽压力检测范围，可输出多位编码命令和智能坐垫。长、短P-silk/RG的组合可以将气流（微弱）和压力（大变形）信号的监测集成在同一个电子皮肤上，可应用于复杂情况（洞穴）的情况监测和信号输出。此外，P-silk/RG电子皮肤具有良好的水下稳定性，可以通过莫尔斯电码通信实现水下信息传输。并且电子皮肤可以通过与蜂鸣器连接构成早期报警装置。重要的是通过织物结构设计，与纺织面料基材相结合，可以实现电子皮肤的大批量的生产。总之，这种简单的3D仿生结构策略赋予了电子皮肤具有可编辑性，降低了制作难度，提高了场景适应性，节约成本同时为量产提供了有利途径。

  6天前，他们联合服装学院邹奉元教授基于蚕丝界面多重共价反应设计可穿戴传感器件，并将成果刊发在《Nano Energy》之后的又一重大突破，实现了蚕丝纤维仿毛结构的设计和规模化生产的尝试，进一步擦亮我校的丝绸特色！上述工作获国家基金面上项目、省杰青、省基金重点项目、学校基本科研业务费等项目资助

  论文链接：

  https://doi.org/10.1002/adfm.202305328；

  https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108723