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陜科大王學川/劉新華：結(jié)合“自上而下”策略與三重結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)建的高彈性天然動物皮衍生電子皮膚 - 用于實時精確的應(yīng)變和振動信號傳感
2023-12-04  來源：高分子科技

  近日，陜西科技大學生物質(zhì)與功能材料研究所王學川、劉新華團隊報道了一種具備優(yōu)異拉伸強度（8.76 MPa）、彈性（0-180%）、抗凍能力、保濕性、電導率（6.3 S/m）以及出色多維傳感能力的電子皮膚，該電子皮膚兼具慢速自適應(yīng)電阻式應(yīng)變傳感器和快速自適應(yīng)單電極摩擦納米發(fā)電機的功能，可用于模擬人體自然觸覺，實時監(jiān)測來自人體的多種低頻生理和運動信號以及來自手機和電機等設(shè)備的高頻振動信號。相關(guān)研究成果發(fā)表于國際材料科學領(lǐng)域頂級期刊Nano Energy上。


  皮膚是人體最大的器官，不僅能夠為內(nèi)部器官提供保護作用，還具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來檢測外界作用力刺激。研究表明，人類皮膚具有慢速和快速適應(yīng)性機械感受器，能夠?qū)Π▔毫驼駝拥榷喾N機械刺激作出特征性反應(yīng)。電子皮膚（e-skin）是一種新型的傳感器，可以模仿人類皮膚的感知功能，讓機器人產(chǎn)生“觸覺”。截至目前，大量報導的電子皮膚是通過電阻、電容或結(jié)構(gòu)色的變化來模擬慢適應(yīng)性機械感受器而實現(xiàn)低頻應(yīng)變信號傳感，然而關(guān)于模擬快速適應(yīng)性機械感受器而實現(xiàn)振動信號傳感的電子皮膚的研究鮮見報道。 


圖1. S-P/G@PU e-skin的設(shè)計與應(yīng)用示意圖


  基于此，該研究通過結(jié)合“自上而下”策略和三重結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)了一種基于天然動物皮的具有優(yōu)異彈性的電子皮膚（S-P/G@PU e-skin），可用于實時精確的應(yīng)變和振動信號傳感。S-P/G@PU e-skin在不需要提取膠原蛋白的情況下，保留了山羊皮中天然膠原纖維編織的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并作為該電子皮膚的基礎(chǔ)框架，同時還引入了聚吡咯，甘油和聚氨酯薄膜等功能材料。S-P/G@PU e-skin具有獨特的結(jié)構(gòu)組成，底層為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，上層為多孔結(jié)構(gòu)和屈曲結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可通過控制天然動物皮厚度以及聚吡咯和甘油的用量進行有效的調(diào)控。S-P/G@PU e-skin成功融合了天然動物皮、聚吡咯、甘油和聚氨酯薄膜的固有結(jié)構(gòu)和性能，展現(xiàn)出優(yōu)異的韌性、彈性、防凍性、保濕性、導電性、應(yīng)變和振動敏感性。值得關(guān)注的是，S-P/G@PU e-skin可以模擬自然觸覺，作為混合機械感受器（包括慢速自適應(yīng)電阻應(yīng)變傳感器和快速自適應(yīng)單電極摩擦電納米發(fā)電機）檢測廣泛的低頻人體生理和運動信號以及識別來自手機和電機等設(shè)備的高頻振動信號。因此，S-P/G@PU e-skin可以實現(xiàn)模仿人類皮膚，在集成式柔性可穿戴設(shè)備、人機界面和人工智能等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。 


圖2. P/G-Skin的微觀結(jié)構(gòu)


圖3. S-P/G@PU e-skin的機械性能


圖4. S-P/G@PU e-skin的導電性和低頻應(yīng)變傳感性能 


圖5. S-P/G@PU e-skin的高頻振動傳感性能

  相關(guān)成果以“Robust Integration of “Top-Down” Strategy and Triple-structure Design for Nature-Skin derived E-Skin with Superior Elasticity and Ascendency Strain and Vibration Sensitivity”為題發(fā)表在Nano Energy（DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.109142）上。陜西科技大學博士研究生白忠薛為本論文的第一作者，通訊作者為陜西科技大學王學川教授、劉新華副教授和岳歐陽博士。感謝國家自然科學基金項目（2207081675、22278257和22308209），中國博士后基金項目（2021M692000和2023M732159）、陜西省重點研發(fā)計劃項目（2022GY‐272）和陜西省教育廳重點科學研究計劃項目（22JY013）對本工作的大力支持！


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.109142

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（責任編輯：xu）
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