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  智能電子皮膚在健康監(jiān)測、人機交互和軟體機器人方面有巨大的應用潛力，吸引了學術界和工業(yè)界的廣泛關注。但目前開發(fā)的電子皮膚傳感器存在功能單一、成本高、結構復雜、便攜性差等缺點，因此限制了其實際應用。如何采用簡單的制備方法獲得多功能、高性能的電子皮膚傳感器仍然存在挑戰(zhàn)。

  近日，暨南大學劉明賢教授團隊提出以中國墨水（C）、聚乙烯醇(PVA)和埃洛石納米管(HNTs)為原料，采用PDMS模板輔助的溶液澆注工藝，制造了結構穩(wěn)定、色彩豐富的PVA/C/HNTs多功能電子皮膚傳感器（MFESS）。該工作發(fā)表于Composites Science and Technology (中科院分區(qū)：一區(qū)，影響因子：9.879)，題目為”Bilayer PVA composite film with structural color for high-performance and multifunctional sensing”。論文第一作者為2021級碩士生吳鳳，劉明賢教授為論文唯一通訊作者。

圖1. PVA/C/HNTs雙層薄膜的制備及性能。

  三維光學形態(tài)學圖像和相應的截面高度圖證實了PVA/HNTs/C MFESS的Janus結構。從圖2a可以看出，PVA/HNTs層呈現(xiàn)規(guī)則的5 μm的周期性溝槽結構，凹槽的平均高度約為350 nm（圖2b ）。相比之下，PVA/C層表面充滿了C納米粒子而顯示出不規(guī)則的凹坑結構 (圖2c)，且高度分布是不規(guī)則的（圖2d）。

圖2. PVA/HNTs/C雙層薄膜形貌表征。

  PVA/C層具有很好的親水性，能夠快速吸附和解吸水分子，從而導致體積的快速膨脹和收縮。相比之下，PVA/HNTs層對濕度的變化不如PVA/C層敏感（圖3b）。因此，基于兩層之間親水性的差異，PVA/HNTs/C MFESS可以作為一個濕度驅動的驅動器，在不同的濕度條件下實現(xiàn)彎曲變形（圖3c）。

  由于PVA/C層中的C顆粒顯示出良好的光熱性能，當氙燈光源打開時，PVA/C層迅速吸收熱量使得最初吸附在該層中的水分子迅速流失導致PVA/C層的收縮和變形，因此PVA/HNTs/C MFESS向PVA/C層發(fā)生彎曲（圖4a）。在關閉氙氣燈后，它通過重新吸收環(huán)境中的水分子而慢慢恢復到原來的形狀。圖4b展示了變形和恢復過程對應的紅外熱圖像。

圖4.  PVA/C/HNTs雙層薄膜的光驅動性。

  由于PVA/HNTs/C MFESS對環(huán)境中水分子的吸收和脫除，導致其電阻會隨環(huán)境濕度的改變而發(fā)生變化（圖5a, b, c）。因此PVA/HNTs/C MFESS可以應用在非接觸式傳感和人體呼吸監(jiān)測等領域。

  在氙燈照射下，PVA/C層吸收熱量，從而導致PVA/HNTs/C MFESS的電阻會發(fā)生變化（圖7b）。當氙氣燈被打開時，溫度迅速上升，這使得電阻急劇增加到初始的160%。當氙氣燈關閉時，溫度開始迅速下降，從而使電阻迅速恢復到初始值。圖7c展示了在20至60°C的范圍內，電阻隨著溫度的上升而增加。圖7d顯示了不同功率氙燈照射PVA/HNTs/C MFESS 20 s后的熱紅外成像。在相同的照射時間內，溫度隨著功率的上升而增加。在圖7e, f, g中，PVA/HNTs/C MFESS顯示出良好的溫度響應性和循環(huán)穩(wěn)定性。這些結果表明，MFESS在光照下表現(xiàn)出良好的溫度響應能力。

  PVA/HNTs/C MFESS具有多信號響應性和出色的結構穩(wěn)定性。我們最終展示了它在物體抓取、濕度報警和仿生花朵綻放和關閉等方面的應用。

  綜上所述，本工作中開發(fā)的PVA/HNTs/C MFESS呈現(xiàn)出顏色絢麗、結構穩(wěn)定性好、價格低廉、功能多樣等優(yōu)點。因此，它在可穿戴設備、智能機器人和電子皮膚的應用方面有著巨大的潛力。

  論文鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353823001999