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  觸覺感知在人體感知系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。通過整合和處理來自受體的傳感信號，我們的大腦能夠產(chǎn)生一種可視化的感知，反映接觸物體的信息，包括位置、形狀、質(zhì)地和溫度。因此，使用電子設(shè)備將物理信號轉(zhuǎn)換為電子信號的觸覺模擬，模仿人體感知系統(tǒng)，對于未來人工智能和人機交互的發(fā)展有著重大意義。

  近日，電子科技大學(xué)向勇教授團隊設(shè)計了一種基于PVDF-TrF/TFT/PLLA結(jié)構(gòu)的可視化電子皮膚器件（VTSES），該器件通過壓電、熱電和介電電容的高度耦合，精確感知外界動態(tài)力、靜態(tài)力及溫度刺激。該器件具有類人類皮膚的多功能傳感特性及良好的生物相容性。此外，通過自行設(shè)計的電路陣列和分析軟件，該電子皮膚可以再現(xiàn)大腦的觸覺信息處理過程，實現(xiàn)對觸碰物體的高分辨率可視化重構(gòu)功能。相關(guān)成果以標題為《Electronic Skin Based on PLLA/TFT/PVDF-TrFE Array for Multi-Functional Tactile Sensing and Visualized Restoring》發(fā)表于Chemical Engineering Journal。

圖1. (a)人類皮膚和電子皮膚對“感知-轉(zhuǎn)換-響應(yīng)“過程的觸覺反饋示意圖。(b) VTSES 器件結(jié)構(gòu)組成示意圖，由垂直集成的 PVDF/PI 層、TFT 層和 PLLA/PI 層組成。

圖2. (a) 大面積PVDF-TrFE/PI薄膜的光學(xué)圖像，和 (b) 其對應(yīng)的壓電系數(shù)。(c) PVDF-TrFE/PI應(yīng)用在VTSES上的按壓和釋放運動，和 (b) 相應(yīng)的壓電響應(yīng)電壓信號。(e) 線性電機施加的力大小及器件輸出的壓電信號的強度，以及 (f) 它們之間的線性關(guān)系。

圖3. 在集成PLLA/PI的VTSES上沿電極 (a) 1-2-3、(b) 1-4-7 和 (c) 1-5-9 方向的滑動運動。（d、e 、f）分別對應(yīng)a、b 和 c動態(tài)平面刺激產(chǎn)生的響應(yīng)輸出電壓。(g) L929 細胞細胞毒性檢測。 (h) L929 細胞在PLLA層孵育 72 小時的光學(xué)圖像和(i) L929 細胞在對照樣品上孵育72小時的光學(xué)圖像。

圖4. (a) VTSES 電極1溫度相應(yīng)測試過程中的光學(xué)圖像和 (b) 熱圖像。(c) 響應(yīng)輻照開關(guān)動作的電壓信號。

圖5. (a) 靜態(tài)力可視化傳感陣列、控制系統(tǒng)和讀出系統(tǒng)的電路示意圖。(b) 橡膠立方體的光學(xué)圖像和 (c) 由傳感器陣列測量的可視化圖像。(d) 沿 (c) 中所示剖面線的對應(yīng)信號。(e) 鹿形橡膠立方體的光學(xué)圖像和 (f) 其可視化圖像。(g) 沿插圖中剖面線的對應(yīng)。(h) 蟬翼的光學(xué)圖像和 (i) 其可視化圖像。(j) 沿 (i) 中所示剖面線的對應(yīng)信號。

  該工作提出的可視化電子皮膚在可穿戴設(shè)備和人機交互領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。

  論文第一作者為電子科技大學(xué)材料與能源學(xué)院博士后王辛瑜，論文通訊作者為電子科技大學(xué)材料與能源學(xué)院胡瀟然副研究員與向勇教授。電子科技大學(xué)材料與能源學(xué)院為論文第一單位。

  原文鏈接：

  X. Wang, X. Ling, Y. Hu, X. Hu, Q. Zhang, K. Sun, Y. Xiang, Electronic skin based on PLLA/TFT/PVDF-TrFE array for Multi-Functional tactile sensing and visualized restoring, Chem. Eng. J. 434 (2022) 134735. 

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.134735

  作者簡介

  王辛瑜，電子科技大學(xué)材料與能源學(xué)院博士后。畢業(yè)于香港理工大學(xué)。主要研究方向是低維納米材料的設(shè)計及多物理場傳感器開發(fā)，相關(guān)研究成果發(fā)表在Chem. Eng. J，Appl Catal A-Gen，Opt. Express, J. Lumin.上。

  胡瀟然副研究員，師從北京化工大學(xué)張立群院士團隊，長期擔(dān)任Nano Energy、Advanced Function Materials等知名期刊審稿人。主要研究方向為高分子智能材料與器件，包括基于大面積傳感陣列的壓電材料、形狀記憶材料的設(shè)計制備、工藝優(yōu)化及核心裝備開發(fā)；基于可降解生物基聚合物的分子結(jié)構(gòu)、制備路線的設(shè)計及在納米增強、3D打印材料方向應(yīng)用等。在領(lǐng)域內(nèi)知名期刊和會議上發(fā)表SCI論文30余篇，申請專利10余項。承擔(dān)和參與了多項國家科研項目。

  向勇教授，電子科技大學(xué)先進能源技術(shù)研究院院長、教授、博士生導(dǎo)師，材料與能源學(xué)院黨委委員、教授委員會主任，校科技委委員，教育部科技委能源交通學(xué)部委員。2000年本科畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（郭沫若獎學(xué)金獲得者），2001年和2005年碩士和博士畢業(yè)于美國哈佛大學(xué)；2005-2009年任美國英特爾公司總部高級工程師/項目經(jīng)理；2009年回國任教電子科技大學(xué)，歷任微電子與固體電子學(xué)院院長助理，能源科學(xué)與工程學(xué)院副院長，材料與能源學(xué)院院長；2019年起任先進能源技術(shù)研究院院長，兼任四川省柔性顯示材料基因組工程研究中心主任。主要從事材料基因工程、分子集成器件、柔性智能傳感、結(jié)構(gòu)化信息化電池等方面研究工作，近五年帶領(lǐng)團隊承擔(dān)了60多項國家級、省部級科研項目，累計經(jīng)費11000多萬元，發(fā)表學(xué)術(shù)論文300多篇，授權(quán)國內(nèi)外發(fā)明專利100余項，部分已實現(xiàn)轉(zhuǎn)化。曾獲2004年美國材料研究協(xié)會銀獎、2006年美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室主任獎、2011年教育部新世紀優(yōu)秀人才、2014年四川省特聘專家、2017年四川省科技進步二等獎、2019年中國工程院工程前沿杰出青年學(xué)者等榮譽稱號。指導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊獲得2016年全國“創(chuàng)青春”大學(xué)生創(chuàng)業(yè)大賽金獎、2018年團中央“小平科技創(chuàng)新團隊”、2019年中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎、2021年中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銀獎等國家級獎項。目前擔(dān)任國家材料基因工程計劃專家組成員，國防領(lǐng)域能源方向?qū)＜医M成員，中國材料學(xué)會材料基因組分委會副秘書長，四川省電子學(xué)會青年委員會主任等學(xué)術(shù)兼職。