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  柔性觸覺傳感器不僅在諸如電子皮膚、可穿戴器件、仿生機(jī)器人和假肢、生物電子學(xué)界面等新興領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值，而且相關(guān)研究涉及電子和離子相互作用，電子器件和生物組織相互作用等的內(nèi)在機(jī)制的深入揭示，并能夠模擬、兼容生物組織內(nèi)的重要活動(dòng)，因此具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

  目前絕大多數(shù)的高性能柔性觸覺傳感器都依賴于電子行為，主要機(jī)理有壓阻式、電容式、壓電式和摩擦電式。近日，清華大學(xué)劉鍇副教授課題組和西安交通大學(xué)張磊教授課題組基于對液體環(huán)境中生物復(fù)雜生化反應(yīng)的傳感過程的模仿，制備出負(fù)載銀納米顆粒的丙烯酸水凝膠，開發(fā)了一種具有非對稱表面結(jié)構(gòu)、基于化學(xué)反應(yīng)和離子電流傳導(dǎo)機(jī)理從而增強(qiáng)器件靈敏度的柔性觸覺傳感器（簡稱AISH—Asymmetric Ionic Sensing Hydrogel）。這種柔性觸覺傳感器在多項(xiàng)重要性能評價(jià)指標(biāo)上表現(xiàn)優(yōu)異，比如具有超高靈敏度（171 kPa^-1）和超低檢測限（0.075 Pa），以及長使用壽命（循環(huán)1500次以上）等，實(shí)現(xiàn)了該類基于化學(xué)反應(yīng)和離子傳導(dǎo)新機(jī)理的高性能器件的成功制備，并證明了其在生物電子學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖1. AISH柔性觸覺傳感器示意圖及對凝膠的表征。

圖2. AISH柔性觸覺傳感器的性能和其它主要柔性器件性能對比。

  該研究利用紫外光一步合成具有非對稱表面、負(fù)載有銀納米顆粒的丙烯酸水凝膠復(fù)合物，在優(yōu)化的試劑配比下獲得了高壓敏響應(yīng)的凝膠器件。這類器件自身具有較大的電勢差，可用來對初始電流進(jìn)行調(diào)控；在受到壓力作用時(shí)，凝膠表面的銅箔和凝膠內(nèi)的銀離子可發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)置換反應(yīng)，從而增強(qiáng)離子傳導(dǎo)電流，使器件具有高度的靈敏性。該實(shí)驗(yàn)工作中利用了常見的化學(xué)置換反應(yīng)，證明了這種新機(jī)理的普適性。在應(yīng)用展示部分，這種凝膠器件可以檢測壓強(qiáng)低至0.075Pa的碳納米管薄膜，可精準(zhǔn)地記錄脈搏信號(hào)和聲壓信號(hào)，檢測水面的波動(dòng)等。

圖3. AISH柔性觸覺傳感器的應(yīng)用展示。

  相關(guān)結(jié)果發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)刊物《Advanced Functional Materials》雜志上，劉鍇副教授和張磊教授為共同通訊作者，第一作者為在清華大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的西安交通大學(xué)博士生丁翰元。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、教育部霍英東基金等項(xiàng)目的資助。

  論文鏈接：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201909616