仿生电子鼻核心部件—自供电嗅觉电子皮肤的研制取得重要进展

AFMxuexinyu鼻腔内的嗅觉上皮组织是一种特殊功能皮肤,它探测气味并向大脑输出信号,决定了人类的嗅觉。在未来,人造的嗅觉电子皮肤将成为仿生电子鼻的核心,它探测外界气氛并向神经系统输出仿生信号,让嗅觉障碍病人重新品味美食,让反恐警员闻到毒品和爆炸物的行踪,甚至可以让机器人闻到气味。实用型的嗅觉电子皮肤,不仅要求灵敏、轻薄柔软、无毒、便于植入,而且应该抛弃传统外界电源和电池,可自主收集转化人体能量实现自供电长期免维护工作。

近期,由东北大学的薛欣宇教授、付永明博士、邢丽丽教授等人组成的研究团队与电子科技大学的张岩教授带领的研究组亲密合作,通过摩擦电表面耦合效应,研制出一种可作为新型仿生电子鼻核心部件的自供电嗅觉电子皮肤。该嗅觉电子皮肤呈柔性三明治结构,使用无毒的PTFE和PANI纳米薄膜作为摩擦和气敏材料,可以将人体呼吸或微小的机械振动直接转化为与外界气氛关联的嗅觉仿生脉冲电信号,不需要额外电源。这一过程是通过摩擦电-气敏耦合效应实现的。当气流通过电子皮肤时会引起PTFE膜反复振动,通过与上下表面的PANI薄膜摩擦输出仿生脉冲电信号。PANI纳米薄膜是一种在酒精等挥发性有机气体中会改变表面状态的导电聚合物。当气流中带有甲醇、乙醇等挥发性有机气体时,气体分子会与PANI纳米薄膜发生反应并改变PANI链的表面态,导致摩擦发电效应减弱,输出信号变小。

研究人员以酒精为目标气体,测试了自供电嗅觉电子皮肤对挥发性有机气体的传感性能。研究发现自供电嗅觉电子皮肤在室温下对低至30 ppm的酒精气体开始有响应,当酒精气体浓度达到210 ppm时,响应可以达到66.8,响应时间和恢复时间分别为20秒和 25秒。经过多次循环,传感性能基本不变。这种传感特性不受气流速度和器件尺寸等因素的影响,但受湿度影响较大。这种自供电嗅觉电子皮肤器件在当相对湿度为47%时,灵敏度最高。

自供电嗅觉电子皮肤对酒精的检测范围(30-210 ppm)与酒驾人员呼出气体的酒精浓度范围相符合,因此研究人员进一步扩展了自供电嗅觉电子皮肤的实际应用,制作出可以闻出酒精气味的可视化电子鼻用于检测酒后驾驶。可视化电子鼻由气流处理器、自供电电子皮肤和可视化LED面板三部分组成。测试人员向可视化电子鼻吹气,嗅觉电子皮肤输出的电信号可以直接点亮多个LED。测试人员的饮酒量越大,呼出气流中的酒精气体含量越高,点亮LED的个数越少,这样可以直接读取点亮LED个数检测测试人员的饮酒量。该研究团队将继续致力于摩擦电表面耦合效应和自供电电子皮肤的深入研究。这项工作的相关成果发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201505331)上。

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