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    四川大學盧燦輝教授、UCB Ana Arias 教授《Sci. Adv.》:電位式力學傳感特性電子皮膚的設計與構筑
    2020-08-05  來源:高分子科技

      皮膚作為人體面積最大的器官,可以感知各種機械刺激,例如觸摸、壓力、震動等,其工作機制是人體皮膚的機械性刺激感受器(Mechanoreceptor)在受到外界機械刺激時,其細胞膜電位(Membrane Potential)隨之發生變化,即機械刺激轉化為生理電信號,隨后通過神經傳導到達大腦,形成一定的反饋和應激。這類通過細胞膜電位變化來感知外界機械刺激的傳感特性,具有高效、敏感、耗能極低的特點,因此,皮膚能夠敏感地感知外部刺激,并可以通過生理電信號與機械動作的反饋,進行自我保護。模仿人體皮膚的這種感知行為,設計構建傳感器件,在可穿戴智能設備、人工電子皮膚以及人機交互系統的開發和應用具有重要意義。


      近日,四川大學高分子研究所、高分子材料工程國家重點實驗室盧燦輝教授團隊、美國加州大學伯克利分校Ana Arias教授團隊通過模仿人體皮膚感知器官的傳感行為,設計了一類基于電位式力學傳感機制、構筑了具有獨特傳感特性的電子皮膚,相關成果以“A Potentiometric Mechanotransduction Mechanism for Novel Electronic Skins”為題,發表在《Science Advances》上(Science Advances,  24 Jul 2020:Vol. 6, no. 30, eaba1062,DOI: 10.1126/sciadv.aba1062)。論文第一作者為吳曉東博士,四川大學盧燦輝教授和加州大學伯克利分校Ana Arias教授為共同通訊作者。



      人體皮膚感知器官在受到機械刺激時,其膜電位會發生變化(圖1A-C)。為了模仿這種生理傳感行為,該研究采用兩種電極材料(普魯士藍/碳材料和銀/氯化銀材料)和聚乙烯醇/氯化鈉/甘油/水組成復合材料作為電解質,形成電勢差;然后通過調整復合電解質的組成來調節本征阻抗,并在復合電解質表面構筑三維微觀結構來調節電極/電解質界面性質(圖2E-H),巧妙地實現了將外界機械刺激產生的變化,轉化為兩個電極材料之間電勢差輸出的變化(圖1D-F),為通過模擬細胞膜電位變化,靈敏感知外界機械刺激的皮膚觸感機制,研制具有電位-力學傳感特性的電子皮膚奠定基礎。


    圖1.電位式力學傳感機制的設計原理和思路


      作者設計并制作了三明治式和并列式兩種構型的電極器件(圖2A-C),其中并列式電極結構更緊湊,工藝更便捷,可通過溶液加工方法,大規模、高質量制備傳感器件(圖2D)。本研究研制的電位式力學傳感器件對機械刺激具有良好的檢測能力,既可以檢測靜態及緩慢變化的機械刺激(圖3A,D),也可以用于監測低頻動態的力學刺激(圖3E),具有優異的可調性(圖3B)、快速的響應/恢復速度(圖3C)和良好的循環穩定性(圖3F)。基于本研究提出的新型電位式力學傳感機制,設計并制作了多種獨特性能的傳感器件,如可拉伸但應變不敏感的力學傳感器(圖4)、“單電極模式”電子皮膚(圖5)等。


    圖2. 電位式力學傳感器件的構型與觸感特性


    圖3. 電位式力學傳感器件的性能


      大多數柔性傳感器件在發生形變時,其本征電阻將發生顯著變化,將嚴重干擾其傳感行為。而本研究設計的電位式傳感器件中,通過植入內置電阻(圖4A),保證了在電勢差測量過程中,傳感器件本身電阻在應變下的相對變化非常小,很好解決了傳統柔性傳感器件形變時本征電阻變化對其傳感性能影響大的難題。本研究將可拉伸導體與所研制的電位式傳感器相連接(圖4B),結果表明該力學傳感器件具有良好的可拉伸性(圖4C,達50%),在不同應變下的力學響應行為基本不變,具有優異的應變不敏感特性(圖4D,F,G),完美實現了將外界壓力與器件應變的去耦合,本文關于傳感器設計思路和制作方法對高性能、高穩定可拉伸電位式力學傳感器件的發展具有理論意義和借鑒價值。


    圖4. 利用電位式傳感機理構建的“可拉伸、應變不敏感力學傳感器”性能


      傳統的電子皮膚的每個傳感單元都是由兩個或兩個以上的電極構成(雙電極模式),大量的電極和連接線陣列的存在限制了單位面積(體積)電子皮膚的傳感元的數量和密度(圖5A);采用“十字交叉”的電極模式可大幅度減少電極以及連接線數量(圖5B),但是,這種模式傳感元只能逐一操作,難以獲得高采樣頻率的傳感器件。針對上述問題,作者創新性地提出利用電位式傳感機理來構筑“單電極模式”的電子皮膚(圖5C)。具體工作機理是:在電勢差測量過程中,只需要使用一個電極作為共用的參比電極,然后測量其它傳感電極相對該參比電極的電勢差,在電勢差測量過程中幾乎沒有電流通過電路系統,因此所有的傳感電極可以同時工作,而不會相互干擾。該種“單電極模式”電子皮膚可大幅度減少電極和連接線數量,同時簡化了連接線的排布方式,大幅度提高了電子皮膚的傳感元數量及密度;更重要的是,系統中所有傳感電極(傳感元)可以同時工作,極大提高了電子皮膚的采樣頻率。本研究開發的電位式機械傳感器件可用于應力、位置、輪廓的靜態或動態監測(圖5D-H),拓展了高性能人工電子皮膚的研究思路,易于實用化,應用前景廣闊。


    圖5. 基于電位式傳感機理構筑“單電極模式”電子皮膚及傳感性能


      原文鏈接:https://advances.sciencemag.org/content/6/30/eaba1062


    第一作者吳曉東博士簡介:


      第一作者吳曉東博士(2019年博士研究生畢業于四川大學高分子研究所、高分子材料工程國家重點實驗室,導師為盧燦輝教授),目前為加州大學伯克利分校博士后。吳曉東博士在研究生學習期間主要圍繞可穿戴智能器件和人工電子皮膚的仿生設計、規模化制備及應用開展系列研究工作,如結合篩網模板法和電極打印技術實現高性能壓力傳感器件的大面積規模化制備(Adv. Electron. Mater. 2020, 6, 1901310);通過模仿蜘蛛感知器官的微裂紋結構開發了高靈敏、寬量程的壓力傳感器件(Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 6246);通過獨特導電微納結構的設計實現了多種應變傳感器件的制備(ACS AMI 2017, 9, 23007; ACS AMI 2016, 8, 9936.)等。以第一作者身份在Sci. Adv.,Adv. Funct. Mater.,Adv. Electron. Mater.,JMCA(2篇),ACS AMI(4篇)等知名學術期刊發表研究論文15篇,其中高被引SCI論文3篇。


    通訊作者之一盧燦輝教授簡介


      盧燦輝,高分子材料工程國家重點實驗室(四川大學)、四川大學高分子研究所教授、博士生導師,四川省學術與技術帶頭人,四川省有突出貢獻優秀專家,兼任中國塑料加工工業協會專家委員會副秘書長、四川省輪胎翻新與利用協會副會長。圍繞 “新材料”和“難再生廢棄高分子材料高效、高質、高值回收與再制造”等國家重大需求開展研究,主要開展廢棄橡膠(包括特種橡膠)及交聯型廢棄高分子材料的解交聯再生利用及再制造技術與裝備開發,圍繞可再生資源開展纖維素/甲殼素的微納米加工及其與二維材料的宏觀組裝,重點研究其在柔性傳感、納米發電、電化學儲能器件的設計、構建及其在可穿戴設備中的應用,相關成果發表在ACS Nano, Science Advances,Advanced Materials, Energy Storage Materials, Angew Chem Int Ed, Advanced Functional Materials等期刊,論文得到廣泛引用和正面評價。近年來在聚烯烴高填充無機粉體復合材料、廢舊輪胎橡膠和特種橡膠高值化利用新技術和新裝備、納米纖維素制備和功能材料等技術開發和產業化應用取得突出成績,其中15項研究成果實現產業化應用,取得重大的經濟效益和社會效益。研究成果曾榮獲“國家技術發明獎”二等獎、“教育部科學技術獎”一等獎及中國輕工業聯合會科技進步一等獎、中國專利金獎和其他省部級科技進步二等獎5項。

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    (責任編輯:xu)
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