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    華東師范大學徐敏、潘麗坤教授課題組:具有多種刺激響應和特異性識別的天然高分子導電水凝膠仿生電子皮膚
    2020-06-16  來源:高分子科技

      仿生電子皮膚是一種結合了傳感技術和機電轉換技術的電子設備,能夠模仿人體皮膚保護肢體、感知和識別環境變化。近年來,以柔性傳感器為主的仿生電子皮膚,因其具有靈敏的機電轉換特性以及優異的柔韌性受到研究者的廣泛關注,其中以導電水凝膠為材料的柔性傳感器憑借同時具備優異的力學性能(高強度、高延展性、高彈性)、機電轉換性能(高靈敏度、寬應變響應范圍)和生物相容性等特點,在可穿戴電子設備,健康監測傳感器、軟體機器人、生物醫學假體以及仿生電子皮膚等領域展現出廣闊的應用前景。目前大多數柔性傳感器的研究主要集中于單一的功能,如應力應變、溫度或濕度等,然而,單一的功能性無法滿足仿生電子皮膚的應用需求。此外,皮膚經常受到多種刺激的復合作用,如溫度和壓力的同時作用。如何同時響應并區分這些復合作用仍然是研究的難點。因此,實現柔性傳感器的多功能一體化,開發具有多種刺激響應和識別能力的仿生電子皮膚,仍面臨很大的挑戰。


      近期,華東師范大學徐敏教授課題組和潘麗坤教授課題組合作以天然高分子海藻酸鈉為主體,引入帶有相反電性的功能單體(丙烯酸和丙烯酰胺)和無機鹽(氯化鈉),成功合成了一種兩性離子型天然高分子導電水凝膠(圖1)。將其應用于仿生電子皮膚,不僅能夠對多種外界環境刺激具有響應性,還能夠對溫度和應力的復合作用進行特異性識別,在柔性可穿戴電子設備領域具有潛在的應用前景。


    圖1 兩性離子型天然高分子導電水凝膠合成示意圖。(A-E)水凝膠力學性能圖。


      借助凝膠骨架結構中大量相反電性官能團間的動態相互作用,導電水凝膠表現出優異的力學性能(在0.27 MPa條件下,拉伸倍率達到1480%)。同時,金屬離子在凝膠結構中的自由遷移為水凝膠提供了優異的導電性(2.2 S·m-1)。憑借水凝膠自身柔韌性和導電性,這種兩性離子型天然高分子導電水凝膠表現出優異的機電轉換特性,如圖2 所示(其檢測應變范圍0-1000%,最小應力值10 Pa,檢測頻率2.0 Hz,GF為11,響應時間為100 ms)。以其為仿生電子皮膚,不僅能夠對人體運動的頻率、幅度和時間跨度等信息進行實時檢測,而且對多種外界環境刺激如溫度、濕度、鹽度、吹風、下雨等也都表現出靈敏的響應性。


    圖2 兩性離子型天然高分子導電水凝膠機電轉換性能


      該水凝膠另一個重要的特性就是能夠特異識別溫度和應力的復合作用。由于導電水凝膠對于溫度刺激存在響應滯后的特點,這種滯后現象會在水凝膠反饋的電信號上產生顯著差異。利用這一特點,通過對反饋電信號的波形圖進行解析就能夠對溫度和應力的復合作用準確識別,如圖3所示。該工作對于設計具有多種刺激響應和特異性識別的水凝膠仿生電子皮膚提供了新的思路。


    圖3 兩性離子型天然高分子導電水凝膠多種刺激響應性和特異識別性(溫度和應力)


      該研究成果以“Multiple Stimuli Responsive and Identifiable Zwitterionic Ionic Conductive Hydrogel for Bionic Electronic Skin”為題,發表于Advanced Electronic Materials DOI:10.1002/aelm.202000239,文章的共同第一作者為華東師范大學物理與電子科學學院的博士后黃海龍和博士生韓盧徐敏教授潘麗坤教授為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金的支持。


      原文鏈接:https://doi.org/10.1002/aelm.202000239

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    (責任編輯:xu)
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