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韓國(guó)延世大學(xué)Cheolmin Park院士團(tuán)隊(duì)《Device》：一種可降解的具有雙模觸覺(jué)感知的蠶絲基自供能皮膚
2024-10-25  來(lái)源：高分子科技

  人體皮膚的慢適應(yīng)（SA）和快適應(yīng)（FA）機(jī)械感受器能夠?qū)ν饨绺鞣N頻率的機(jī)械刺激做出靈敏響應(yīng)，形成觸覺(jué)感知。為了精確模擬和重構(gòu)皮膚的觸覺(jué)功能，電子皮膚需要同時(shí)模擬SA和FA機(jī)械感受器的功能以感知靜態(tài)壓力和動(dòng)態(tài)振動(dòng)。通常，雙模電子皮膚或仿生機(jī)械感受器包含兩種類型的傳感器，一種為基于摩擦電/壓電效應(yīng)的振動(dòng)傳感器，另一種為基于壓阻或電容變化的壓力傳感器。近年來(lái)，隨著觸覺(jué)電子皮膚的功能和復(fù)雜度不斷提高，器件本身的不可回收性，高能耗，對(duì)人體潛在的毒性，高加工成本等問(wèn)題隨之出現(xiàn)。因此，開(kāi)發(fā)基于天然蛋白質(zhì)材料的雙模自供能電子皮膚為解決上述問(wèn)題提供了有效路徑。


  近日，延世大學(xué)Cheolmin Park院士課題組報(bào)道了一種基于絲素蛋白-植酸-甘油復(fù)合膜（SF-PA-G）的雙模自供能電子皮膚（EG Skin）。如圖1所示。該EG Skin在SF-PA-G膜的基礎(chǔ)上集成了濕氣發(fā)電機(jī)（MEG）和摩擦發(fā)電機(jī)（TENG）兩種能源收集器，能夠?qū)⑼饨绲臐駳夂蜋C(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為電能。且SF-PA-G膜在蛋白酶溶液中可以實(shí)現(xiàn)降解。進(jìn)一步地，MEG和TENG可以分別用來(lái)模擬皮膚的SA和FA感受器實(shí)現(xiàn)對(duì)外界各種頻率的機(jī)械刺激的感知。圖2介紹了基于SF-PA-G膜的MEG發(fā)電性能輸出。在高濕度下（85% RH），單個(gè)MEG可實(shí)現(xiàn)1V電壓和110 μA/cm-2電流密度的連續(xù)輸出，且能夠通過(guò)串并聯(lián)進(jìn)一步提高輸出。圖3解釋了該MEG基于濕氣誘導(dǎo)離子梯度發(fā)電的工作機(jī)理。圖4展示了由SF-PA-G膜和PFA膜構(gòu)建的接觸分離型TENG器件的性能輸出，以及TENG與MEG的整合策略。MEG和TENG的整合可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)的電壓電流輸出（22V和18μA），最高實(shí)現(xiàn)8.4 μW/cm-2的功率密度輸出，且整合后功率密度在不同濕度下能保證穩(wěn)定輸出。圖5展示了MEG和TENG分別作為壓力傳感器和振動(dòng)傳感器的工作原理以及傳感性能，并進(jìn)一步探究了EG Skin不同頻率機(jī)械刺激下MEG和TENG的耦合響應(yīng)關(guān)系（圖6）。在實(shí)際應(yīng)用方面，MEG和TENG的自供電信號(hào)可以用來(lái)模擬防偽型的摩斯碼，以及可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)人工突觸器件（圖7）。

 

圖1. EG Skin的設(shè)計(jì)示意圖和材料表征


圖2. SF-PA-G的MEG性能表征


 圖3. SF-PA-G MEG的工作原理


 圖4. 基于TENG的動(dòng)態(tài)能量收集性能以及MEG+TENG整合后的雙模能量收集性能


圖5. EG skin的觸覺(jué)傳感工作機(jī)制以及傳感性能


圖6. MEG+TENG的耦合作用分析


圖7. EG skin的實(shí)際應(yīng)用展示


  該工作以“A biodegradable silk-based energy-generating skin with dual-mode tactile perception”為題目發(fā)表在Cell姊妹刊《Device》上，文章第一作者是延世大學(xué)新材料工程系在讀博士生李勝優(yōu)，趙凱瑩博士，和研究教授昝廣濤博士。通訊作者為Cheolmin Park院士。該研究得到韓國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。


  原文鏈接：https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(24)00483-6


  PI簡(jiǎn)介：Cheolmin Park 教授，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院院士，韓國(guó)工程院院士，延世大學(xué)（QS 56）Underwood杰出教授。目前擔(dān)任Director of BK21 Education and Research Division for Futuristic Human-centric Materials, Director of Center for Artificial Synesthesia Materials Discovery，以及Board of Directors in Materials Research Society (MRS)。他于1992年和1995年在首爾國(guó)立大學(xué)獲得學(xué)士和碩士學(xué)位， 2001年在麻省理工學(xué)院獲得博士學(xué)位，2001-2022年，在哈佛大學(xué)擔(dān)任博士后研究員。2002年9月起，在延世大學(xué)成立Nanopolymer課題組，研究方向涉及鐵電聚合物，自組裝嵌段共聚物，電致發(fā)光材料，鈣鈦礦以及低維納米材料，并探索其在柔性傳感，發(fā)電和交互顯示器件的廣泛應(yīng)用。迄今已在Nature materials, Nature communications, Science advance, Advanced materials等期刊發(fā)表270多篇SCI論文。


  課題組網(wǎng)站：https://yonseinpl.wixsite.com/nanopolymer

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