利用“石墨烯海绵”制作人造电子皮肤

随着人工智能材料的快速发展,人造电子皮肤作为仿生机器人的关键部件受到广泛的关注。该研究工作将向研发柔性可伸缩变形、高压力敏感性的超薄传感器发展,并逐步实现集对压力、温度、湿度、酸碱度、光、电、磁敏感为一体的超薄人造电子皮肤,使未来的机器人可以像人类一样感受到外界环境的各种变化。但人造电子皮肤的设计制备难度非常大,比以往硅基集成电路要求更加苛刻,要求器件中所有的部件(像电池、晶体管,导线等)都具有可伸缩变形的能力。

中国科学技术大学俞书宏教授课题组利用“石墨烯海绵”克服了以上难题。俞教授课题组在弹性海绵的制备上积累了大量经验,此类“弹性海绵”往往以银线为模板,葡萄糖为碳源并进行水热碳化和高温处理而得到的。这种由纳米级碳纤维构成的海绵具有良好的弹性,并且电阻随着形变而变化,是良好的压力传感器。电阻变化的机理是碳纤维之间的接触点随海绵的形变而变化,从而导致电阻随着海绵的形变而变化。而具有良好的三维网络结构的商业的海棉具有非常好的弹性,并且在压缩的过程中,海绵中纤维网络会相互接触,同先前制备的弹性海绵非常类似。如果以商业海绵为原材料制备压力传感器,不仅成本就会大大降低,而灵敏度和耐用性有可能得以提升。值得指出的是,海绵属于绝缘体,如何使海绵导电是个关键性的问题。而在前期的工作中,研究人员已成功解决该难题

俞教授在接受MaterialsViewsChina采访时说:“在一年多的研究中,实验进展非常顺利。但在一次对商业海绵热处理过程中,我们发现海绵变软,但其依然保持良好的弹性。而用这种热处理后的海绵制备出的压力传感器的灵敏度要比没有热处理的海绵高出很多。再一次做海绵压力传感稳定性测试时,我们发现其灵敏度随着压缩次数的增加而增加,这主要是因为其内部的纤维网络有部分的断裂,从而发现海绵内部纤维网络断的越多,灵敏度越高。因此我用预压缩的方法使大部分纤维网络断裂来提高海绵压力传感器的灵明度。这也被我们后来的模拟计算所证实。”

在俞书宏教授的指导下,姚宏斌博士和葛进同学共同提出基于高弹海绵的压力传感器,并在实验过程中他们发现断裂的海绵内部纤维具有更高灵敏度。王旭同学根据不同条件制备出大量的海绵传感器并逐个分析,从中优化了传感器的灵敏度和使用耐久性。王长峰和郑志军同学在倪勇教授的指导下通过模拟计算证实了该项工作的实验结果。

虽然这项工作得到了目前最灵敏的压阻式压力传感器,但由于商用海绵的物理结构和化学组分不够均一,这使得加工工艺的确定变得非常困难。此外,该工作得到的传感器的厚度较大,在人造皮肤领域的应用可能会受到限制,而传感器中石墨烯的导电性对温度和湿度比较敏感,易产生较大的噪音。针对这些问题,俞教授计划下一步工作的重心是制备出结构与化学组分均一的微纳米级三维网络材料,进一步降低弹性基体的尺寸,并利用金属纳米材料替代石墨烯。

人造电子皮肤是一个多学科交叉的领域,需要不同领域的科学家一起合作才能完成。硅基芯片小型化是传统的一个发展方向,而另一个重要发展方向就是柔性可拉伸集成电子线路的制备,而日本、韩国以及欧美国家在柔性可拉伸电子器件领域已经取得了重大突破,并已经有相关产品问世,而国内的研究人员却很少涉足该领域,这很可能会使国内的电子科技水平同发达国家进一步拉大。因此,我们呼吁更多的科学工作者能够加入到该研究领域之中。

徐 广臣 About 徐 广臣

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。

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