Small: 仿贻贝结构的接触/非接触式多功能电子皮肤

近年来,可拉伸电子皮肤在人机交互、疾病诊断和人体运动检测等方面表现出极大的应用潜力,受到研究者的广泛关注。研究者们对感知应力/应变、温度、湿度和各种气体环境变化的电子皮肤进行了深入研究并取得了极大进展。然而,同时具备多种刺激感知能力,可感知环境中多种参数变化的电子皮肤的研究仍面临很大挑战。此外,非接触式传感电子皮肤在很多情况下对人类健康及安全都具有重要意义,在人工智能领域也具有广阔的应用前景。

近来,郑州大学橡塑模具团队的代坤教授和北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员受贻贝结构的启发,基于银纳米线(AgNWs)/还原氧化石墨烯(rGO)/热塑性聚氨酯(TPU),制作了一种可调节的接触/非接触式多功能电子皮肤。该研究中,研究者选用高拉伸、质轻和亲皮肤的TPU电纺纤维膜作为柔性基底和封装材料,采用AgNWs/rGO协同导电网络与TPU纤维膜结合,构建了稳定的仿贻贝结构。研究者通过设计导电层的层数和导电填料的比例调整了材料的应变检测范围和灵敏度。该研究利用一维AgNWs和二维rGO的结构协同,构建了“裂缝”和“桥接”结构,提升了电子皮肤的灵敏度和稳定性。

通过上述结构设计,在接触传感性能方面,该电子皮肤表现出优异的应变响应性能:超低应变检测限(0.1%应变),高灵敏度(gauge factor,GF高达1902.5),快速响应时间(20 ms)和优良的稳定性(拉伸/释放测试11000个循环)。这些出色的应变响应性能使该电子皮肤能够准确监测人体的全范围运动、声带振动和脉搏跳动;该材料在人机交互,语音识别和健康监测领域展示出良好的应用前景。在非接触传感方面,通过对水分子的可逆物理吸附/解吸附,该电子皮肤可以快速、灵敏地检测相对湿度变化;精确地检测人体呼吸和皮肤附近的相对湿度。研究者还组装了电子皮肤阵列,展示了材料在非接触式传感和控制系统方面的应用前景。

该研究获得国家自然科学基金 (51773183,U1804133,U1604253),河南省高校创新人才支持计划(20HASTI001)、河南省高校创新团队(20IRTSTHN002)等项目支持。

论文信息:

Tunable and Nacre-Mimetic Multifunctional Electronic Skins for Highly Stretchable Contact-Noncontact Sensing

Kangkang Zhou, Wangjiehao Xu, Yunfei Yu, Wei Zhai, Zuqing Yuan, Kun Dai*, Guoqiang Zheng, Liwei Mi, Caofeng Pan*, Chuntai Liu, and Changyu Shen

Small

DOI: 10.1002/smll.202100542

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202100542