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深圳技術(shù)大學(xué)史濟(jì)東等 Nano Lett.:一種用于原位非像素化壓力顯示的可變色離子皮膚
2024-04-18  來(lái)源:高分子科技

  人體皮膚通?梢詫(duì)觸覺(jué)信號(hào)的強(qiáng)度與位置同時(shí)產(chǎn)生準(zhǔn)確的感知。而對(duì)于模擬人體皮膚結(jié)構(gòu)與功能的柔性電子皮膚,其對(duì)壓力位置的感知通常依賴于高密度傳感陣列的制備,后端數(shù)據(jù)處理以及顯示裝置的集成,這種方式在降低數(shù)據(jù)直觀性的同時(shí),其額外的電路設(shè)計(jì)與對(duì)外接顯示設(shè)備的依賴也大大抵消了柔性電子在便攜性與成本方面的優(yōu)勢(shì)。另一方面,在電子皮膚中引入原位壓力可視化功能模塊,不僅可以提供所施加載荷的空間信息,還可以為輸入信息提供更加直觀的感知與交互平臺(tái)。


  目前,在電子皮膚上實(shí)現(xiàn)壓力可視化的策略通常包括壓力驅(qū)動(dòng)的發(fā)光與變色。通過(guò)壓力調(diào)控發(fā)光二極管內(nèi)部的能帶結(jié)構(gòu),可以通過(guò)發(fā)光二極管光強(qiáng)與顏色的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力分布的顯示。然而這種方法盡管可以實(shí)現(xiàn)高空間分辨率,但像素化陣列設(shè)計(jì)對(duì)加工工藝有著較高要求,并且像素點(diǎn)之間的串?dāng)_也會(huì)顯著降低光學(xué)對(duì)比度。而通過(guò)電阻式壓力傳感器串聯(lián)電致變色器件,以歐姆分壓的方式調(diào)控電致變色器件的偏壓,通常只能引起顯示裝置的整體變色,而非壓力載荷的空間分布,因此提供的壓力位置信息非常有限。


  針對(duì)這一問(wèn)題,深圳技術(shù)大學(xué)的史濟(jì)東等人提出了一種結(jié)合壓力傳感與原位非像素壓力顯示的新型離子皮膚(圖1a)。通過(guò)對(duì)電致變色器件中的離電界面進(jìn)行圖案化,可以實(shí)現(xiàn)由壓力驅(qū)動(dòng)的界面電荷傳輸,引起體系電容的變化并控制壓力施加位置器件的局域化變色行為,從而對(duì)壓力載荷的大小與分布進(jìn)行表征(圖1b)。


圖1. (a)離子皮膚的對(duì)壓力大小的檢測(cè)與壓力分布的原位顯示示意圖。(b)與工作原理.(b)離子皮膚在壓力下電容變化與變色的機(jī)理示意圖。

  這一體系不僅可以顯示靜態(tài)壓力分布,并且可以對(duì)動(dòng)態(tài)壓力軌跡進(jìn)行追蹤。其空間分辨率可達(dá)1mm以下,顏色對(duì)比度可達(dá)160nm。而通過(guò)調(diào)控器件的電壓方向,可以對(duì)顯示的壓力分布圖進(jìn)行多次擦除以及重置(圖2a)。而在電學(xué)傳感中,這一體系也可以在20kPa范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻的電容信號(hào),壓力分辨率可達(dá)2Pa,響應(yīng)時(shí)間可達(dá)0.06秒。這種對(duì)壓力的電/光雙模響應(yīng)可以在監(jiān)測(cè)表皮信號(hào)中實(shí)現(xiàn)對(duì)皮膚形變大小與位置的同步監(jiān)測(cè),相對(duì)于傳統(tǒng)柔性壓力傳感器可以提供更加豐富的生理信息(圖2b)。


圖2. (a)離子皮膚的對(duì)動(dòng)態(tài)壓力軌跡的原位顯示以及擦除。(b)離子皮膚通過(guò)變色(左)以及電容變化(右)對(duì)手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)形變產(chǎn)生雙模響應(yīng)。

  本工作提供了一種壓力傳感與顯示的全新策略,擺脫了傳統(tǒng)壓力顯示裝置對(duì)傳感陣列以及像素化顯示裝置加工的依賴。實(shí)現(xiàn)了高靈敏度、分辨率與對(duì)比度的電-光雙模壓力傳感,有望為基于電子皮膚的智能器件設(shè)計(jì)以及人機(jī)交互提供新的思路。


  該工作以“Color-Shifting Iontronic Skin for On-Site, Nonpixelated Pressure Mapping Visualization”發(fā)表于國(guó)際知名期刊《Nano Letters》。文章第一作者為深圳技術(shù)大學(xué)工程物理學(xué)院的研究助理邵博源,2019級(jí)本科生張順以及新材料與新能源學(xué)院的胡蕓菲副教授。通訊作者為工程物理學(xué)院的史濟(jì)東副教授。深圳技術(shù)大學(xué)工程物理學(xué)院為論文的第一單位。本工作也得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東高校科研平臺(tái)青年創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的支持。


  文章信息:Boyuan Shao?, Shun Zhang?, Yunfei Hu?, Zetao Zheng, Hang Zhu, Liu Wang, Lingyu Zhao, Fang Xu, Luyang Wang, Mu Li, Jidong Shi* Nano Lett. 2024, DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c04755

  文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.3c04755

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