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  電子皮膚可模仿人體皮膚對外界環(huán)境（包括對壓力、溫度及化學(xué)等刺激）的感知，因而可廣泛應(yīng)用于人工智能和醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。盡管近年來電子皮膚研究取得了長足進(jìn)展，但仍然還存在感應(yīng)材料的響應(yīng)靈敏度不足、穩(wěn)定性和抗干擾能力較差及感應(yīng)的范圍窄等諸多問題，這些限制了其實(shí)際應(yīng)用。要解決以上問題，選用具有優(yōu)異性能的活性材料和設(shè)計合理的器件結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵。碳納米材料（碳納米管、石墨烯等）因其優(yōu)越的物理、化學(xué)以及電學(xué)性能成為制造高性能柔性傳感器最常用的活性材料之一。然而，由于碳材料本身無彈性，因而在構(gòu)筑柔性器件時，往往需要與柔軟且具有彈性的高分子復(fù)合的同時盡量保持其本身性能。因此，開發(fā)出有效的方法將碳基材料與高分子有效復(fù)合，對開發(fā)出高性能柔性可穿戴器件至關(guān)重要。

  中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所陳濤研究員團(tuán)隊前期研發(fā)了系列基于碳材料的高分子復(fù)合體系，并取得了階段性進(jìn)展（Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 2428; J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 4124; J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 10810; Chem. Mater., 2016, 28, 7125; Chem. Commun., 2017, 53, 1949; J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 10217; J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 6666; Nature Commun., 2018, 9, 4051; Chem. Commun., 2018, 54, 12804），這些高分子碳基復(fù)合體系是柔性可穿戴傳感器件的重要材料基礎(chǔ)。

圖1 基于聚多巴胺/石墨烯納米異質(zhì)結(jié)的柔性仿生濕敏材料應(yīng)用于柔性可穿戴器件

  模仿生命體系，有助于我們設(shè)計高效的傳感器件。例如，水分子在人體大部分代謝過程中至關(guān)重要，可通過實(shí)時監(jiān)測人體皮膚表面和呼出的空氣周圍水分子的含量和分布，獲得個體的生理和心理信息。近期，研究人員開發(fā)了基于聚多巴胺/石墨烯納米異質(zhì)結(jié)的柔性仿生濕敏材料。這種材料通過自組裝可以在電極間形成規(guī)則的層狀二維結(jié)構(gòu)膜，并且通過調(diào)控聚多巴胺量可以在0.7nm到1.4nm范圍精確調(diào)控其層間距。其中所存在的納米級孔道結(jié)構(gòu)有利于水分子快速運(yùn)輸，在動力學(xué)上保證器件快速的響應(yīng)與回復(fù)，層間中的聚多巴胺分子可以通過氫鍵快速“捕獲”水分子與“釋放”水分子，在熱力學(xué)上保證器件快速的響應(yīng)與回復(fù)。利用該傳感器我們構(gòu)筑了一套柔性可穿戴器件，能夠以非接觸的方式監(jiān)控呼吸、運(yùn)動甚至說謊等心理活動所引起的人體非常微弱的濕度波動信息（Chem. Mater., 2018, 30, 13, 4343-4354）。

圖2 自組裝石墨烯-PDMS非對稱復(fù)合結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于高精度脈搏實(shí)時檢測柔性可穿戴器件

  在高分子碳基復(fù)合體系的設(shè)計中，特別是面向柔性傳感器的應(yīng)用中，非對稱復(fù)合有助于發(fā)揮高分子及碳基材料各自的性能優(yōu)勢。最近，該團(tuán)隊與中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所潘曹峰研究員團(tuán)隊合作，研究人員利用石墨烯片層在水/空界面的二維宏觀薄膜的組裝，以所得石墨烯膜作為傳感層與具有微納結(jié)構(gòu)的PDMS彈性體組成非對稱復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中石墨烯膜傳感層的導(dǎo)電性和厚度通過調(diào)控組裝層數(shù)可以得到很好地平衡。所得傳感器表現(xiàn)優(yōu)異的綜合性能，同時具有高靈敏度（1875.53kPa-1）和寬線性檢測范圍（0-40kPa）以及良好的穩(wěn)定性和超高的信噪比（78db）。基于這些優(yōu)異的性能，構(gòu)建了一套通用、高精度、可穿戴的無線脈搏監(jiān)測系統(tǒng)。該傳感系統(tǒng)相比于商用可穿戴脈搏傳感器有諸多優(yōu)勢，該系統(tǒng)除具有良好柔性與穿戴舒適性外，還具有高精度，抗身體運(yùn)動干擾的優(yōu)勢，并實(shí)現(xiàn)在日常運(yùn)動過程中（在跑步或騎自行車時）實(shí)時檢測動脈脈搏信號，有望用于個性化診斷（Nano Energy, 2019）。

  以上工作得到了國家自然科學(xué)基金（51573203）、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）、中科院國際合作重點(diǎn)項目（174433KYSB20170061）等的資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.02.036