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  近期，南方科技大學材料科學與工程系郭傳飛副教授課題組在仿生微結構柔性電子皮膚領域取得重要進展，研究成果發(fā)布在《Advanced Functional Materials》、《Small》、《Advanced Electronic Materials》等國際期刊上。

  郭傳飛課題組的主要研究方向是基于薄膜材料的微納米加工方法、柔性透明電極的制備、納米結構薄膜的生長，以及這些材料在新型光電子學、生物醫(yī)學和納米能源領域的應用。

  觸覺是生物體表感受器受壓力或牽引力作用而引起的，它是生物體從外界環(huán)境獲得信息的重要手段之一。電子皮膚的研究具有重要意義。例如：穿戴假肢可以幫助肢體殘疾人士實現(xiàn)某些操作需求，但市場上的產品尚不具備觸覺功能，因此假肢也無法幫助他們實現(xiàn)感知。柔性觸覺傳感器（電子皮膚）是一種將觸覺信號轉換電信號的電子器件，在可穿戴電子設備、健康監(jiān)測、運動監(jiān)測、智能假肢、人機交互、以及人工智能等領域有著巨大的應用前景。研究已經證明微結構能有效提高柔性觸覺傳感器的性能，例如微金字塔、微柱結構、微球等已經被用于制備超靈敏的柔性觸覺傳感器。然而這些微結構通常通過傳統(tǒng)的光刻技術、化學刻蝕方法，制備過程復雜、耗時、價格昂貴。制備低成本、簡易、高性能的柔性觸覺傳感器成為當前的一大挑戰(zhàn)。

  為了降低制備成本、提高器件傳感性能，郭傳飛課題組從荷葉的超疏水性來源于其表面的微納米結構中受到啟發(fā)，用自然材料作為模板來制備表面微結構。取大自然中的植物作為原始模板、復寫出植物表面的微結構并噴涂柔性銀納米線電極，構建電容型觸覺傳感器（Adv. Electron. Mater. 2018, 4, 1700586），該器件具有較高的靈敏度（1.2 kPa?1）、較快的響應速度（36 ms，與人體皮膚響應速度相當）以及較好的穩(wěn)定性（可重復循環(huán)檢測10萬次以上而不產生疲勞），這項工作被評為《Advanced Electronic Materials》月度十大熱點論文之一。

圖為基于荷葉微結構的柔性電子皮膚

  高靈敏的柔性觸覺傳感器越來越成為現(xiàn)在的研究熱點，為了提升性能，課題組以天鵝絨竹芋為模板，制備了離子凝膠微錐結構陣列用于電容型器件的介電層，其界面雙電層有效地提高了器件的靈敏度（Adv. Funct. Mater. 2018, 1802343）。實驗結果發(fā)現(xiàn)，該器件的靈敏度高達54.1 kPa?1，是目前文獻報道的電容式觸覺傳感器最高值。此外，該器件還實現(xiàn)了低至0.1 Pa的檢測限，以及29 ms的響應速度，超過了人體皮膚響應速度。

  課題組受植物體多孔三維結構的啟發(fā)，直接利用干燥的自然材料（例如花瓣、葉片）作為電子皮膚的介電層（Small 2018, 1801657）。研究表明，新鮮的自然植物材料的離子液和電極之間形成的雙電層作用，器件具有較大的電容響應，但隨著自然材料干燥水分揮發(fā)，器件的性能穩(wěn)定性較差。通過臨界點干燥處理植物材料，材料本身的幾何構架不發(fā)生改變，所制備的器件性能穩(wěn)定，具有較高的靈敏度、較低的檢測限以及較高的穩(wěn)定可靠性，能進行運動檢測、壓力分布測試等。該工作被評為月度熱點論文。使用仿生微結構或直接利用自然材料制備柔性觸覺傳感器，能大大簡化制備工藝，降低制備成本，符合可持續(xù)發(fā)展理念，對構建環(huán)境友好型柔性電子體系具有重要意義。

  這一系列基于植物模板或自然植物材料的電子皮膚的研究，有效降低了器件制造成本，提高了器件的靈敏度等性能，開辟了一條制備柔性電子器件的新道路。本系列研究中制備的電子皮膚能用于人體健康監(jiān)測、運動監(jiān)測、人機交互等，在智能機器人、智能假肢、可穿戴柔性設備等方面有潛在的應用前景。

  以上論文皆由2016級碩士研究生萬永彪（目前就職于中國工程物理研究院）和研究助理邱志光作為共同第一作者完成，2016級研究生洪穎、2017級研究生黃俊和路鵬、以及2014級本科生王琪和2015級本科生楊靜祎參與了部分研究工作，南科大材料系是唯一通訊單位。該項研究得到了廣東創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊、國家自然科學基金、深圳市孔雀計劃、青年千人計劃基金的支持。

  論文鏈接：

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aelm.201700586

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201802343

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201801657