Advanced Functional Materials:“明辨分毫”——基于非对称界面化学反应和离子传导机制的超灵敏柔性触觉传感器

目前绝大多数的柔性触觉传感器主要通过基于压阻效应、电容效应、压电效应和摩擦电效应等依赖于电子行为的机制进行设计和实现,虽然能够应用在电子皮肤和可穿戴器件等领域,但与生物体内基于离子行为的传感机制仍然存在差异。为了模拟和兼容生物组织内的重要活动,研究电子器件和生物组织相互作用,并扩展柔性触觉传感器在仿生机器人和生物电子学等领域的应用,近年来对基于水凝胶材料的新型柔性触觉传感器的研究逐渐受到人们的重视。然而,这类柔性触觉传感器通常利用电容效应引起的离子运动作为压力响应机理,其压敏性能距离实际应用尚有一定差距。因此,迫切需要开发出基于新机理的高性能柔性水凝胶触觉传感器。

针对这一关键问题,清华大学材料学院刘锴课题组和西安交通大学张磊课题组合作,利用类似于生物组织的水凝胶材料,设计并制备了负载有银纳米颗粒、具有非对称表面结构的丙烯酸水凝胶复合物——AISH(Asymmetric Ionic Sensing Hydrogel),从而构建出以非对称界面化学反应和离子电流传导作为压力传感机理的高性能柔性触觉传感器。实验证明,由于凝胶非对称的表面结构设计,器件会自发产生一个很小的电动势。通过调节外电路电压,使之与器件自发产生的电动势相匹配,可以调控电路的初始电流达到一个极小的值。另外,器件的两个铜箔电极与凝胶界面处的银离子可以发生非对称的化学置换反应,当器件受到压力作用时,会极大地改变离子传导电流,使器件具有高度的灵敏性。经过试剂配比优化,该凝胶器件具备超高灵敏度(171 kPa-1)、超低检测限(0.075 Pa)、较低的工作电压(0.02 V)和长使用寿命(循环使用1500次以上),并可以精准地记录脉搏信号和声压信号,而且可以在埋入水下时探测水面的微小波动,具有超灵敏的检测能力和宽广的适用范围。

这一工作成功制备了一类基于化学反应和离子传导新机理的高性能柔性触觉传感器件,证明了这种器件在生物电子学相关领域的实际应用价值,在获得高性能柔性触觉传感器的同时佐证了基于界面化学反应的压力传感机理的可行性。相关结果发表在Wiley旗下期刊Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201909616)上,并被选为当期的back cover论文。