觸覺電子皮膚（e-skin）是實現(xiàn)人-機-環(huán)境交互的重要媒介，對促進“人工智能”和“物聯(lián)網(wǎng)”等技術(shù)的發(fā)展有重要意義。目前，大多數(shù)觸覺電子皮膚利用單一電信號實現(xiàn)傳感，無法滿足復(fù)雜交互場景的多模傳感需求。通過光電雙模策略實現(xiàn)機械刺激可視化，有望提升觸覺電子皮膚傳感與交互表現(xiàn)。結(jié)合機械發(fā)光（ML）與摩擦電自供電傳感是實現(xiàn)光電雙模電子皮膚的一種有效方法。由于觸覺電子皮膚常需在復(fù)雜基底和極端環(huán)境下使用（如柔性或剛性表面、動態(tài)變形基底和惡劣環(huán)境），因此實現(xiàn)環(huán)境自適應(yīng)特性（如機械順應(yīng)性、自粘性和自愈性）尤為重要。
近日，東華大學(xué)熊佳慶/周欣然團隊報道了一種具有摩擦電自能量感知能力的可拉伸、自粘附、自愈合的機械發(fā)光觸覺光電皮膚（EO-skin）。EO-skin由ML層、電極層和封裝層構(gòu)成，三層結(jié)構(gòu)均以苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯和乙烯-醋酸乙烯酯（SIS-EVA）為彈性體基質(zhì)，分別嵌入ZnS/CaZnOS:Mn2+和銀片/液態(tài)金屬微粒作為應(yīng)力發(fā)光層和電極層。這一光電皮膚可粘附于不同表面（如紙板、樹葉、木材、聚丙烯、不銹鋼和玻璃等），具有高度可拉伸（1040%）和自愈合（93%）以及穩(wěn)定的光電性能。作者展示了通過觸覺感應(yīng)識別材料粗糙度、物體形狀以及基于EO-skin的夜間手寫識別系統(tǒng)。相關(guān)研究成果以“Self-healing electro-optical skin for dual-mode human-machine interaction”為題發(fā)表在《Nano Energy》上。論文第一作者為東華大學(xué)碩士生蘆澤仁，通訊作者為東華大學(xué)熊佳慶研究員和周欣然副研究員。該工作得到國家自然科學(xué)基金委（52273244, 52103254）等項目的資助。
圖1. EO-skin的設(shè)計與性能優(yōu)勢
本文通過苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯和乙烯-醋酸乙烯酯二元復(fù)合材料微相分離作用，制備了可兼顧強度、韌性與自愈合性能的彈性體SIS-EVA，以其為基質(zhì)材料，采用連續(xù)澆鑄策略，分別引入應(yīng)力發(fā)光填料ZnS/CaZnOS:Mn2+和導(dǎo)電填料銀片/液態(tài)金屬微粒，利用界面蝕刻和自粘效應(yīng)實現(xiàn)了三層結(jié)構(gòu)無縫集成，得到的EO-skin在機械刺激下可發(fā)出橙黃光，同時展示出優(yōu)異的拉伸性、自愈性、發(fā)光強度和電學(xué)輸出（圖1）。自愈后，機械、光電性能高度穩(wěn)定。
圖2. EO-skin的機械發(fā)光特性
實際應(yīng)用中，EO-skin需要適應(yīng)拉伸形變并保持穩(wěn)定的機械發(fā)光性能。研究表明，50 %摻雜濃度的ML層在20N的壓力下可產(chǎn)生117灰度值的光強。得益于嵌入發(fā)光填料與SIS-EVA基質(zhì)間的緊密界面接觸和有效應(yīng)力傳導(dǎo)，拉伸狀態(tài)下的EO-skin機械發(fā)光效率有所提升（圖2）。此外，SIS-EVA對不同方向機械刺激的高應(yīng)力響應(yīng)可有效激活ML填料，使得EO-skin在動態(tài)拉伸過程中也可實現(xiàn)機械發(fā)光。
圖3. EO-skin的粘附性和自愈性
粘附性是電子皮膚適應(yīng)不同基材的關(guān)鍵特性，可賦予EO-skin高界面穩(wěn)定性。實驗證明，EO-skin可以附著在紙張、樹葉、木材、聚丙烯板、不銹鋼和玻璃等不同基材上，在不銹鋼基底上其粘附力高達2.49 MPa，顯示出良好的基底適用性。自愈性對于實現(xiàn)長期穩(wěn)定、可編輯電子皮膚有重要作用。EO-skin的自愈性源自EVA在粘流態(tài)時內(nèi)部分子鏈的運動導(dǎo)致的物理交聯(lián)。在85 ℃下加熱4小時后，破裂后的EO-skin可充分愈合，并維持高效力學(xué)與光學(xué)性能（圖3）。利用EO-skin出色的愈合性，作者將“熊貓零件”組裝成完整“熊貓”，經(jīng)愈合的“熊貓”可在拉伸狀態(tài)下保持發(fā)光性能。
圖4. EO-skin的電學(xué)輸出性能
EO-skin可通過摩擦電效應(yīng)實現(xiàn)電學(xué)傳感。具有介電機械發(fā)光層和嵌入式電極的EO-skin可以作為單電極摩擦電納米發(fā)電機，在光響應(yīng)同時實現(xiàn)對機械刺激的電學(xué)感知。通過優(yōu)化，600 μm ML層的器件（2 cm × 4 cm）在20 N的壓力下可實現(xiàn)65 V，0.45 μA和21 nC的電學(xué)輸出，并顯示拉伸適應(yīng)性和愈合電學(xué)穩(wěn)定性（圖4）。此外，EO-skin對壓力和環(huán)境溫度均表現(xiàn)出敏感的電響應(yīng)，靈敏度分別達到了99.56 %和99.77 %，體現(xiàn)出其在力學(xué)檢測和環(huán)境溫度感知方面的應(yīng)用潛力。
圖5. EO-skin的光電雙模傳感應(yīng)用
得益于其良好的觸覺感知能力與防水性能，固定在機械手臂和機械抓手上的EO-skin可通過觸摸物體區(qū)分其幾何形狀、粗糙度，或進行水下抓取感知。利用EO-skin的光電同步雙模傳感特性，作者展示了其在夜間識別按壓物體形狀和手寫文字的應(yīng)用（圖5）。此外，區(qū)別于電子皮膚研究中常見的基于機器學(xué)習(xí)的電信號識別系統(tǒng)，作者借助卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)，進行同步動態(tài)光跡追蹤與形狀匹配，開發(fā)出一套夜間手寫識別系統(tǒng)，識別精度高達97.76%，體現(xiàn)其在人機交互領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用潛力。
本文展示了一種具有優(yōu)異拉伸性（1040%）、粘附性 （2.49 MPa）和自愈效率 （93%）的光電雙模觸覺電子皮膚（EO-skin）。EO-skin具有高界面穩(wěn)定性和機械適應(yīng)性，在多種基材上展示出高粘附力，且能適應(yīng)極端機械拉伸變形。具備光電雙模交互能力的EO-skin可以通過摩擦電信號和機械發(fā)光信號同步檢測機械刺激，例如檢測按壓、拉伸、觸摸等刺激，并進行形狀、材料紋理、手寫筆跡等信息識別；雙模光電子皮膚，本文開發(fā)了可進行動態(tài)光學(xué)捕捉的光電雙模人機交互平臺，它能以97.76 %的高精度識別書寫信息。這項工作為可穿戴設(shè)備和軟體機器人中界面交互材料的開發(fā)提供了一種通用策略，有望為柔性智能材料和人-機交互技術(shù)的發(fā)展提供新思路。
全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110617
