ACS Nano：北京大學成功研制出能夠自供電的高分辨率智能皮膚
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近日，在北京大學張海霞教授的帶領下，研究人員成功研制出具有高分辨率的智能皮膚。作者利用具有微結構的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜作為表層，銀納米線（AgNW）為電極，聚對苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜為底層，制備出了透明、柔韌、輕薄的智能皮膚，而它最大的亮點是實現了自我供電，工作時本身不需額外的供電設備，從而避免了原本輕薄的智能皮膚卻被必需的笨重電池所束縛的尷尬。
摩擦起電，無時無刻到處都在發生著。而作者正是根據摩擦起電和靜電感應原理，制備了能夠自供電的智能皮膚。目前大多數智能皮膚都采用數字信號，往往需要設法增加像素單元來提高其分辨率，這樣不僅提高了成本也增加了能耗。而作者研制的智能皮膚采用模擬信號，一片二維的智能皮膚只需要4個電極便可，其外接端子大大減少，同時可在微弱電能下正常工作。這樣，利用物體與智能皮膚接觸時的摩擦產生的微弱電荷，來實現自我供電就變得可能了。
這種模擬智能皮膚能夠精確定位施力點，平均精度達到1.9毫米，甚至能夠感知到僅有0.16克的蜜蜂等昆蟲的擾動。這種智能皮膚在人工智能、仿生、機器人領域有很大的應用潛力。
文獻導讀
摘要：智能皮膚技術大大推動了人工智能的空前發展。提高智能皮膚的分辨率和維持或降低其能耗對機器人提高知覺靈敏性和增加續航時間十分關鍵。我們主要利用了單電極摩擦起電效應和二維靜電感應原理，制備了一種能夠自供電的模擬信號智能皮膚，能夠感知與之接觸物體的位置和速度。這種二維的模擬智能皮膚，采用模擬信號定位方式，分辨率能夠達到1.9毫米；其靈敏度也很高，甚至能夠捕捉到到蜜蜂的擾動。二維智能皮膚僅僅使用四個外接端子，顯著降低了智能皮膚使用的端子數；同時，它利用摩擦起電進行自供電不需要額外的供電設備，完美解決了智能皮膚電池和連接導線的問題。這種透明、柔韌和高靈敏度的智能皮膚由聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜和銀納米線（AgNW）電極等材料復合而成。
文獻圖解:
圖1模擬信號智能皮膚的結構
a，模擬智能皮膚的結構示意圖
b，透明柔韌輕薄的智能皮膚的實物照片。粉色牡丹花上放有一片智能皮膚并落有一只蜜蜂，牡丹花沒有變形。
c，PDMS薄膜微觀結構的SEM照片 ? ? ? ? ? ?d，AgNW的SEM照片
PDMS薄膜的制備：首先制備了硅片模具——在硅片上熱生長一層二氧化硅，利用光刻的方式構造出10μm長的方形窗口（每個方形窗口間距10μm），再用堿液將二氧化硅層刻蝕掉，漏出硅片層。利用懸涂法將PDMS溶液在硅模具上旋涂成型，穩定后將PDMS薄膜小心剝離模具，即制成具有微結構的PDMS薄膜，如圖1-c所示。
AgNW電極的制備：先制備出一定濃度的AgNW“溶液”后，將其滴在PET薄膜上并選進行旋涂，如此反復10次。100°C下退火后，同樣利用光刻的方法畫出所需的電極，將其他區域的AgNW移除并反復清洗干凈。最后將電極處的光刻膠洗去，這樣便把AgNW電極放置在PET薄膜上，即兩組相對并相互正交的4個電極。（即矩形的四條邊，每邊有一個電極）
圖2 模擬智能皮膚的工作原理
a， 智能皮膚工作的不同階段電荷分布和電流變化
b，模擬智能皮膚的靜電原理分析
c，電極電壓和水平位置之間的關系，插圖顯示了左右電極之間的電壓比
d，電極電壓和水平位置之間的關系
e，智能皮膚的等效電路模型
f，利用e中的等效電路圖和模擬電路仿真系統（SPICE）進行左、右電極的輸出電壓的實時測量
g，智能皮膚的不同頻率下的測試分析。在低頻時，電極電壓取決于C1和C2的比率；在高頻時，比率趨近于1。插圖中的頻率特征曲線顯示不同頻率下的相位移
h，不同電荷位置的電壓貢獻情況，單位為伏特（V）
i，電荷改變時電極a和電極c的電壓比（電極a、c為一組相對電極）
j，電荷改變時電極b和電極d的電壓比（電極b、d為一組相對電極）
當物體（手指）和智能皮膚表面接觸（如圖2-a）。在手指和PDMS表面分別帶有正負相反的電荷。此時，僅在手指和PDMS薄膜接觸的區域帶有電荷，電極的電壓不會受到電荷的影響。而當手指遠離PDMS表面，PDMS表面的的負電荷會誘導電極處產生正電荷。由于負電荷和電極之間的距離不同，誘導產生的正電荷數量也就不同，因此當手指離開，從大地到各個電極產生的電流是不同的；當手指離開的足夠遠時，電極處達到最終的最大電荷數。當手指再次接觸PDMS薄膜，電極處之前的電荷會被排斥并流向大地，因而產生反向電流。
根據測試結果，如圖2-c所示，左右電極的電壓受到PDMS薄膜上負電荷水平位置的影響。水平位置的改變能夠導致兩個電極電壓呈相反的單調變化趨勢。當電荷位置從左至右變化，相對電極的電壓比單調減小，如圖2-c中的插圖所示。
此外，U1和U2（分別為兩個電極的電壓）的比值不受Q（電荷數）變化的影響，因為Q同時影響U1和U2，這意味著電壓比有著較強的穩定性，不受濕度和溫度等能夠影響摩擦起電效應的環境因素的影響。基于電壓比為單調且連續的變化趨勢，模擬智能皮膚的分辨率理論上是沒有上限的。
圖3.在平展表面上智能皮膚的測試
a，特征點（3,3）、（5,1）、（5,3）處四個電極的電壓輸出
b，在點（1,2）處四個電極的電壓輸出值（頻率8Hz，測試160次）
c，兩相對電極在點（1,2）的電壓比顯示了很好的集中性（測試160次）
d，圖c中的電壓比的統計分布的雙對數坐標圖和二維正態分布
e，從（1,1）到（5,5）25個檢測點測試時電極a和電極c的電壓比
f ，從（1,1）到（5,5）25個檢測點測試時電極b和電極d的電壓比
g，在點（2.00,4.00）處增加額外的測試時的電壓的輸。電壓比R-ac=0.679， R-bd= 1.240
h，圖e（R-ac= 0.679）和圖f（R-bd= 1.240）的電壓比輪廓線在底表面（xy平面）上投影，其投影在點（2.12,4.02）處有交叉點，該點便是智能皮膚定位到的接觸點的位置。（該智能皮膚正式利用這種方式，對接觸時產生的模擬信號進行處理，實現精確定位）
圖4 接觸位置和接觸速度對模擬智能皮膚輸出結果的影響
圖4-a~d:用裸露的手指對智能皮膚的9個不同位置（如圖4-b中的插圖）進行測試時，相對電極的電壓輸出（圖a）和電壓比率（圖b）。當測試的基礎速度從1級測試增加到4級測試時相對電極的電壓輸出（圖c）和電壓比率（圖d）。
如圖4-b所示，用裸露的手指對智能皮膚的9個測試點進行測試，在對同一行的測試點從左向右進行測試，電極bd的電壓比R-bd減小，而電極ac的電壓比R-ac保持不變。而當測試點位置從底部一行到上一行變化，R-ac減小而R-bd保持不不變。
如圖4-c所示，當增加接觸速度時，電極電壓輸出具有明顯的增加；但接觸速度的改變對于相對電極的電壓比沒有影響（4-d），因此不會影響智能皮膚對接觸位置的判斷。
圖5 智能皮膚在人工手上的測試
a，人工手照片：在手背上覆蓋有二維模擬智能皮膚，在中指上覆蓋有一維模擬智能皮膚（即只需要一組相對的2個電極）
b，當一只蜜蜂迅速到達和離開時二維智能皮膚時的電壓輸出
c&d，電極a-d的電壓比率
e，在人工手背上的二維皮膚被觸碰時電壓的輸出
f，在人工手上測試時，智能皮膚對接觸位置定位的結果：測試點為（2.50,2.50），輸出的結果是（2.53,2.50），有0.3毫米的輕微偏差
【小結】
作者將PDMS薄膜、AgNW電極和PET薄膜復合，制成了智能皮膚，利用摩擦起電原理實現了智能皮膚的自我供電，不需要外加電池；在摩擦起電的基礎上，作者還巧妙的利用靜電感應原理，僅用四個電極便能產生可靠的模擬信號從而實現接觸點的定位，同時還能識別不同的接觸速度和離開速度。目前，該智能皮膚的平均分辨率為1.9毫米，在一些測試中分辨率甚至能夠達到0.3mm。而這種定位方式在理論上講，分辨率是是沒有上限的。
本文由材料人編輯部王宇提供素材，李卓編輯整理。
原文參考鏈接：Smart skin is powered by the objects it touches
文獻原文鏈接：ACS Nano：Self-Powered Analogue Smart Skin
文獻補充圖表鏈接：Supporting Information Self-Powered Analogue Smart Skin
實驗測試視頻鏈接：
圈圈，這篇的工作量挺大的啊