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中科院蘇州納米所張珽研究員團(tuán)隊(duì) AM：具有Janus結(jié)構(gòu)高機(jī)械強(qiáng)度的選擇性響應(yīng)柔性力學(xué)傳感器
2023-05-31  來(lái)源：高分子科技

  兼具優(yōu)異機(jī)械性能與不同類型力選擇性響應(yīng)能力，是促進(jìn)柔性力學(xué)傳感器件走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵難點(diǎn)之一。現(xiàn)有柔性感知器件主要是以敏感材料均質(zhì)薄膜來(lái)構(gòu)建，其組成單元各向同性的微觀結(jié)構(gòu)，使其在受彎曲、壓縮或拉伸等不同類型力時(shí)具有相同或相似的響應(yīng)模式，造成器件輸出感知信號(hào)相近并容易產(chǎn)生相互干擾、且需后端電路或數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行信息解耦處理等問(wèn)題，同時(shí)優(yōu)異機(jī)械性能及自修復(fù)等特性對(duì)柔性器件在復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用穩(wěn)定性具有重要的實(shí)際意義。


圖1、具有Janus結(jié)構(gòu)PU-TA@MXene敏感薄膜梯度結(jié)構(gòu)及制備流程示意圖。


  近期，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張珽研究員團(tuán)隊(duì)提出以人體皮膚梯度結(jié)構(gòu)為仿生原型（圖1a），創(chuàng)新性利用單寧酸（TA）修飾后MXene（Ti3C2Tx）二維片層（圖1b）在水性聚氨酯（PU）中自由沉降相分離過(guò)程（圖1c），制備了具有PU層內(nèi)Ti3C2Tx相梯度分布仿生“非對(duì)稱（Janus）”結(jié)構(gòu)復(fù)合敏感薄膜材料（PU-TA@MXene，圖2a-c）。一方面，末端帶有豐富羥基官能團(tuán)TA分子于MXene與PU基底之間形成大量氫鍵/共價(jià)鍵僑聯(lián)（圖2g），利用這些鍵合作用在受力過(guò)程中斷裂和重組性質(zhì)，賦予了敏感薄膜優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和自修復(fù)性能（圖3，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)2056.67%、拉伸強(qiáng)度達(dá)50.78 MPa、自修復(fù)后機(jī)械強(qiáng)度保持率>90%），使敏感材料在復(fù)雜環(huán)境長(zhǎng)期使用時(shí)信號(hào)輸出穩(wěn)定性得到提升。另一方面，仿生“非對(duì)稱（Janus）”結(jié)構(gòu)賦予了所構(gòu)建柔性力學(xué)傳感器對(duì)內(nèi)/外異向彎曲、壓力和拉力具有多功能選擇性響應(yīng)能力（圖4，壓力不響應(yīng)、MXene高梯度側(cè)彎曲電阻變小、其低梯度側(cè)彎曲電阻變大、拉伸輸出信號(hào)模式不同），與機(jī)器學(xué)習(xí)算法技術(shù)相結(jié)合能實(shí)現(xiàn)>96%的不同類型力識(shí)別效率（圖5）。進(jìn)一步，將此高機(jī)械強(qiáng)度、選擇性響應(yīng)柔性力學(xué)傳感器件應(yīng)用于存在多狀態(tài)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換的人體運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)監(jiān)測(cè)方面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)乒乓球、籃球、羽毛球等需要大量關(guān)節(jié)切換動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目實(shí)時(shí)監(jiān)控；同時(shí)，該柔性力學(xué)傳感器異向彎曲選擇性響應(yīng)能力，也可應(yīng)用于蛇形智能裝備在救援廢墟等復(fù)雜環(huán)境中通過(guò)實(shí)時(shí)識(shí)別自身運(yùn)動(dòng)方向和角度來(lái)探索和建立未知路徑軌跡（圖6）。該工作以“Multifunctional Flexible Sensor Based on PU-TA@MXene Janus Architecture for Selective Direction Recognition”為題發(fā)表在《Advanced Materials》（DOI: 10.1002/adma.202302847），文章第一作者是中科院蘇州納米所白菊碩士和谷文博士，通訊作者是李鐵項(xiàng)目研究員和張珽研究員。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金（杰青/面上）、中科院青促會(huì)、江西省杰青、江蘇省面上基金及蘇州市項(xiàng)目等支持。 


圖2、具有Janus結(jié)構(gòu)PU-TA@MXene敏感薄膜形貌與結(jié)構(gòu)表征結(jié)果圖。 


圖3、具有Janus結(jié)構(gòu)PU-TA@MXene敏感薄膜機(jī)械強(qiáng)度及自修復(fù)性能圖


圖4、基于PU-TA@MXene敏感薄膜柔性傳感器感知機(jī)理及選擇性響應(yīng)性能圖


圖5、基于PU-TA@MXene敏感薄膜柔性傳感器彎曲、壓力和拉力高效區(qū)分性能圖。


圖6、柔性傳感器在多狀態(tài)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)監(jiān)測(cè)和裝備未知路徑探測(cè)應(yīng)用性能圖。


  該工作是團(tuán)隊(duì)關(guān)于多功能柔性傳感器相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。均質(zhì)結(jié)構(gòu)柔性敏感材料反而往往會(huì)限制感知器件的選擇性響應(yīng)，為此團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性利用自沉降相分離自組裝策略制備了具有仿生Janus結(jié)構(gòu)薄膜柔性力學(xué)傳感器件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)/外異向彎曲、壓力和拉力不同類型力選擇性響應(yīng)能力，同時(shí)通過(guò)構(gòu)建薄膜內(nèi)氫鍵/共價(jià)鍵賦予了傳感器優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度和自修復(fù)性能，為其在實(shí)際應(yīng)用中穩(wěn)定性提供重要保障。另外，團(tuán)隊(duì)也制備了一系列性能優(yōu)異的多功能柔性傳感器件，主要包括發(fā)展了柔性器件仿手指表皮一體疊層界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)單一柔性觸覺(jué)傳感器件對(duì)靜態(tài)壓力、靜態(tài)摩擦力及動(dòng)態(tài)摩擦力選擇性響應(yīng)能力（Research, 2020, 2020, 8910692; Nanoscale, 2019, 11, 5737.），結(jié)合與神經(jīng)識(shí)別模式相匹配脈沖頻率電信號(hào)轉(zhuǎn)換與機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)（計(jì)量與測(cè)試技術(shù), 2020, 47(6), 1-4+8.），賦予了仿生假肢手、仿真機(jī)器人等智能裝備對(duì)物體冷/熱、干/濕狀態(tài)（Acc. Chem. Res. 2019, 52, 288; Small, 2018, 14(36), 1703902; Adv. Sci. 2017, 4, 1600404.）及材質(zhì)與種類（InfoMat, 2023, Accepted; npj Flexible Electronics, 2022, 6, 46; 中國(guó)科學(xué): 技術(shù)科學(xué), 2022, 62.）等類人手精細(xì)感知能力（圖7），并與上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等合作方開展了柔性觸覺(jué)傳感器在“人-器”融合方面工程驗(yàn)證工作，應(yīng)用性能得到了合作單位的高度肯定。 


圖7、仿手指皮膚一體化疊層界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)柔性觸覺(jué)傳感器及其應(yīng)用


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202302847

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（責(zé)任編輯：xu）
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