【参赛作品】如丝绸般柔软的高灵敏度电子皮肤—苏州丝绸从日常生活走进科学实验室

对人体各项生理指标的监测是诊断疾病和评估健康状况的有效手段。我们在医院中用到的传统检测设备通常很笨重、不易携带,使用非常受限,所以轻便柔韧、可穿戴的智能电子皮肤(E-skin)的出现就备受人们的期待。E-skin的工作原理很简单:在两层柔性基底中间引入一层高灵敏的导电材料,利用导电材料受压后电信号的变化来模拟人体各项生理指标,从而达到监测和诊断的目的。

PDMS(聚二甲基硅氧烷)是最常用的基底材料,它非常柔韧且具有很好的生物相容性。一般来讲,具有规整微结构的PDMS膜较平整的PDMS膜具有更高的灵敏度和更快的响应能力,这是因为当E-skin受压后微结构的形变和复位可以可逆地存储和释放能量,而平整的PDMS膜由于粘弹力的影响响应和恢复都非常地滞后。所以PDMS膜上微结构的质量就成为决定E-skin性能的关键因素。通常的微结构PDMS膜的制备是利用投影法将含有交联剂的PDMS混合物浇铸在事先微结构化的Si模具上,待其冷却后再从上面揭下来。但这种Si模的制备非常复杂,成本高昂,不利于大面积规模化生产。

针对这一难题,苏州纳米科技和纳米仿生研究所的张珽研究小组的成员将日常生活中常见的丝绸代替Si模,利用丝绸上的不同织构构筑具有不同微结构的PDMS膜,非常巧妙地简化了制作过程,降低了生产成本。其相关研究成果发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201304248)。另外,他们在这种PDMS膜上整合了稳定性和导电性都十分优异的单壁碳纳米管(SWNTs),进一步提高了E-skin的性能——灵敏度达到1.80 kPa −1 、最小压力检测限低至0.6 Pa、响应时间小于10 ms、循环稳定性超过67 500 圈。用这种E-skin分别监测了不同重量的小昆虫(蚂蚁和蜜蜂)、人发出不同单词时的声带振动以及正常人和孕妇的脉搏,均得到很好的响应和识别。

在其他研究人员专注于如何利用先进的科学手段制备各种结构复杂的Si模具时,该研究组成员不落俗套地从另一个新奇巧妙的角度出发,就地取材,将丝绸这种生活中司空见惯的生活用品引入到科学研究中,发挥了非同一般的神奇作用。这样的研究思路和研究方法真的非常值得我们借鉴,这一令人鼓舞的研究成果也让医用可穿戴设备离我们的日常生活又近了一大步!

原文链接:Silk-Molded Flexible, Ultrasensitive, and Highly Stable Electronic Skin for Monitoring Human Physiological Signals