陕科大王学川/刘新华：结合“自上而下”策略与三重结构设计构建的高弹性天然动物皮衍生电子皮肤

陕科大王学川/刘新华：结合“自上而下”策略与三重结构设计构建的高弹性天然动物皮衍生电子皮肤 - 用于实时精确的应变和振动信号传感

2023-12-04 来源：高分子科技

近日，陕西科技大学生物质与功能材料研究所王学川、刘新华团队报道了一种具备优异拉伸强度（8.76 MPa）、弹性（0-180%）、抗冻能力、保湿性、电导率（6.3 S/m）以及出色多维传感能力的电子皮肤，该电子皮肤兼具慢速自适应电阻式应变传感器和快速自适应单电极摩擦纳米发电机的功能，可用于模拟人体自然触觉，实时监测来自人体的多种低频生理和运动信号以及来自手机和电机等设备的高频振动信号。相关研究成果发表于国际材料科学领域顶级期刊Nano Energy上。

皮肤是人体最大的器官，不仅能够为内部器官提供保护作用，还具有神经网络来检测外界作用力刺激。研究表明，人类皮肤具有慢速和快速适应性机械感受器，能够对包括压力和振动等多种机械刺激作出特征性反应。电子皮肤（e-skin）是一种新型的传感器，可以模仿人类皮肤的感知功能，让机器人产生“触觉”。截至目前，大量报导的电子皮肤是通过电阻、电容或结构色的变化来模拟慢适应性机械感受器而实现低频应变信号传感，然而关于模拟快速适应性机械感受器而实现振动信号传感的电子皮肤的研究鲜见报道。

图1. S-P/G@PU e-skin的设计与应用示意图

基于此，该研究通过结合“自上而下”策略和三重结构设计开发了一种基于天然动物皮的具有优异弹性的电子皮肤（S-P/G@PU e-skin），可用于实时精确的应变和振动信号传感。S-P/G@PU e-skin在不需要提取胶原蛋白的情况下，保留了山羊皮中天然胶原纤维编织的三维网络结构，并作为该电子皮肤的基础框架，同时还引入了聚吡咯，甘油和聚氨酯薄膜等功能材料。S-P/G@PU e-skin具有独特的结构组成，底层为三维网状结构，上层为多孔结构和屈曲结构，这些结构可通过控制天然动物皮厚度以及聚吡咯和甘油的用量进行有效的调控。S-P/G@PU e-skin成功融合了天然动物皮、聚吡咯、甘油和聚氨酯薄膜的固有结构和性能，展现出优异的韧性、弹性、防冻性、保湿性、导电性、应变和振动敏感性。值得关注的是，S-P/G@PU e-skin可以模拟自然触觉，作为混合机械感受器（包括慢速自适应电阻应变传感器和快速自适应单电极摩擦电纳米发电机）检测广泛的低频人体生理和运动信号以及识别来自手机和电机等设备的高频振动信号。因此，S-P/G@PU e-skin可以实现模仿人类皮肤，在集成式柔性可穿戴设备、人机界面和人工智能等领域具有极大的应用前景。

图2. P/G-Skin的微观结构

图3. S-P/G@PU e-skin的机械性能

图4. S-P/G@PU e-skin的导电性和低频应变传感性能

图5. S-P/G@PU e-skin的高频振动传感性能

相关成果以“Robust Integration of “Top-Down” Strategy and Triple-structure Design for Nature-Skin derived E-Skin with Superior Elasticity and Ascendency Strain and Vibration Sensitivity”为题发表在Nano Energy（DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.109142）上。陕西科技大学博士研究生白忠薛为本论文的第一作者，通讯作者为陕西科技大学王学川教授、刘新华副教授和岳欧阳博士。感谢国家自然科学基金项目（2207081675、22278257和22308209），中国博士后基金项目（2021M692000和2023M732159）、陕西省重点研发计划项目（2022GY‐272）和陕西省教育厅重点科学研究计划项目（22JY013）对本工作的大力支持！

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.109142

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（责任编辑：xu）

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