Advanced Functional Materials:智能电子皮肤——“会呼吸的”全纤维结构电子皮肤

电子皮肤作为一种新型可穿戴仿生触觉传感器,是一类能够模仿人类皮肤保护、感知、调节等功能的人造柔性电子器件。电子皮肤关系到柔性机器人、医疗设备、人体假肢等载体的智能化和多功能化,受到众多研究人员的广泛关注。近年来,研究者依靠不同材料、器件结构或传感原理,逐步开发出性能不断优越、功能不断丰富的电子皮肤。然而,由于制备方法和选用材料的限制,电子皮肤的力学响应性能和灵敏度还有待进一步提升,同时没有彻底解决透气性的问题,由此影响了使用者的生理体验和热湿舒适性。对于模拟人类皮肤,要求电子皮肤触觉传感器具有很好的柔性和弹性,能柔软地贴合在人体皮肤表面,同时保持长期的机械稳定性,不至于因弯折而坏掉。纤维材料柔软可变形,易于功能化改性,可以满足可穿戴电子的发展需求,是制备柔性可呼吸压力传感器的理想材料。但大多数传感器中使用的电池不利于集成到可穿戴系统中,压力传感器的能耗仍然是可穿戴系统微型化和轻量化的重要挑战。因此,开发兼具优异柔韧性、力学响应性及透气性的自供能纤维基电子皮肤对于促进智能可穿戴领域的发展具有重要意义。

针对上述问题,研究团队利用静电纺丝技术,基于摩擦起电和静电感应效应,制备了一种全纤维结构的自供能电子皮肤。选用电负性高、机械性能好的PVDF纳米纤维作为感应层,同时克服了静电纺碳纳米纤维的脆性问题,开发了具有优异柔性和导电性的碳纳米纤维作为电极层,通过与高拉伸性和化学稳定性的PU纳米纤维基底层复合,得到具有高弹性和透气性的电子皮肤。研究表明该电子皮肤具有良好的传感性能,在0-180 kPa的压力传感区间内,传感灵敏度达到0.18 V kPa-1。组装成电子皮肤压力传感阵列时,在平面、曲面和人体上可以实现实时的高精度空间映射。全纤维结构电子皮肤不仅可以灵敏的感受外界压力变化和人体关节运动,并且作为电源使用可以驱动一些小型电子器件正常工作。当电子皮肤压力传感阵列拉伸形变至50%,依然保持稳定的压力响应性和机械耐久性。同时全纤维结构电子皮肤具备良好的透气性能,水蒸气透过率可以达到10.26 kg m-2 d-1。  

相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201908411)上, 该研究工作得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海市青年科技启明星计划、东华大学励志计划等项目的大力资助。