中國科學技術大學Adv. Funct. Mater.：一種監測人體運動的自吸能觸覺電子皮膚

【引言】

皮膚作為人體最大的器官，在人體和外界環境的相互作用過程中扮演了重要角色。隨著健康監測和人機交互的需求增加，高靈敏、多功能人造皮膚模擬人體皮膚的傳感性能吸引了全世界的興趣。到目前為止，已經發展了壓阻、壓電、摩擦和電容型電子皮膚。其中，由于壓阻型傳感器制備簡單、高靈敏和低成本優點，有望成為最有前景的電子皮膚。

最近，為了模擬人類皮膚的功能，更多工作致力于發展多功能壓阻型電子皮膚。到目前為止，這些工作都是關注皮膚的傳感特性，而忽視了皮膚其它的功能。尤其，復雜結構的皮膚具有抵抗外部傷害，保護人體的功能。這里，研究人員將銀納米線植入PET和復合聚合物之間，制備了一種具有多種傳感特性和防護功能的電子皮膚。

【成果簡介】

近日，中國科學技術大學宣守虎副教授和長安大學尹冠生教授（共同通訊作者）研究小組通過組裝Ag納米線、聚酯（PET）膜和SST/PDMS基體構建了具有吸能防護和多功能傳感特性的電子皮膚。這種具有高阻尼的電子皮膚可以抵消720 到 400 N的沖擊力，并且也可以探測人體運動。該研究成果以“Novel Safeguarding Tactile e-Skins for Monitoring Human Motion Based on SST/PDMS–AgNW–PET Hybrid Structures”為題發表在Adv. Funct. Mater.上。第一作者為王勝博士后（中國科學技術大學）。

【圖文導讀】

圖1. 電子皮膚制備過程示意圖

(a-c) 復合聚合物的制備過程；

(d-f) 具有有效導電途徑Ag納米線的制備過程；

(g-i) 固化復合材料和制備電子皮膚。

圖2. 所制聚合物的物理特性

(a) SST聚合物的壓縮-恢復特性；

(b) PDMS的壓縮-恢復特性；

(c) 以90:10比例混合所制SST/PDMS的壓縮-恢復特性；

(d) 以70:30比例混合所制SST/PDMS的壓縮-恢復特性；

(e) SST聚合物的自愈特性；

(f) 以50:50比例混合所制SST/PDMS的自愈特性；

(g) 以70:30比例混合所制SST/PDMS的自愈特性。

圖3. 復合聚合物的機理與結構表征

(a) 復合聚合物的低延伸率；

(b-c) SST和復合聚合物的抗沖擊性；

(d) 所制聚合物復合材料抗剪剛化效應的機理；

(e) 所制聚合物復合材料的FT-IR；

(f) 所制聚合物復合材料的XRD；

(g) 在0.1–100 Hz剪切頻率下，所制聚合物復合材料的速率和流變特性關系。

圖4. 人造皮膚的壓力傳感能力

(a) 施加壓力為1, 5, 20和50 N的傳感性能；

(b) 施加彎曲應變為1%, 5%, 10% 和30%，電子皮膚的ΔR/R₀和彎曲應變次數的關系。

圖5. 探測各種人體運動以及復雜的肌肉運動

(a) 輕輕觸碰，電子皮膚產生的感知行為；

(b) 撞擊，電子皮膚產生的感知行為；

(c-d) 靜態壓縮，電子皮膚產生的感知行為；

(e-h) 拼寫“USTC”，電子皮膚產生的感知行為；

(i) 說話，電子皮膚產生的感知行為；

(j) 握住，電子皮膚產生的感知行為；

(k) 手臂彎曲，電子皮膚產生的感知行為；

(l) 扭曲，電子皮膚產生的感知行為。

圖6. 電子皮膚的觸覺感知和吸能防護特性

(a) 落錘測試設備；

(b) 力學傳感器記錄的力-時間曲線；

(c) 緩沖時間與降落高度的關系；

(d) 沖擊力和電學信號與降落高度之間的關系；

(e) 電子皮膚在負載和卸載循環下的穩定性；

(f) 在20cm降落高度下，電子皮膚的電學性能與降落重量之間的關系。

圖7.?溫度對電子皮膚的影響

(a-e) 在10~60℃內，電子皮膚的顏色變化；

(f-j) 在10~60℃內，相應的電阻變化；

(k) 溫度與電子皮膚機械特性的關系；

(l) 電子皮膚的穩定性測試。

圖8. 3 × 3電子皮膚陣列與傳感特性

(a) AgNWs/PET陣列；

(b-c) 在彎曲下，壓力分布的識別；

(d-f) 準靜態壓縮激發；

(h) 由落錘產生的動態沖擊力；

(i) 電阻變化分布。

【小結】

研究人員通過PET 膜、Ag納米線和復合聚合物組裝的具有多功能傳感和防護性能的電子皮膚陣列。所制電子皮膚可以感知彎曲、壓縮和扭轉，并且可以抵抗外部力量和吸收50%的沖擊能量。這種電子皮膚在監測人體運動和環境變化方面有巨大的應用。

文獻鏈接：Novel Safeguarding Tactile e-Skins for Monitoring Human Motion Based on SST/PDMS–AgNW–PET Hybrid Structures?(Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201707538)

補充信息：

1. 團隊介紹；

宣守虎副教授，中國力學學會實驗力學專業委員會委員，2010年加入中國科學技術大學近代力學系，一直注重在力學、流變學、材料學等多學科交叉中的實驗力學方法和技術研究，研究方向為智能材料的力學行為設計及性能分析。2016年10月獲得中國力學學會、中國化學會聯合頒發的第九屆“中國流變學青年獎”。

? ? ?2. 團隊在該領域工作匯總；

宣守虎副教授從2014年開始關注新型防彈衣材料的制備及性能研究。研制出剪切增稠液（STF）增強Kevlar纖維織物，發現STF的流變性能與防彈衣的力學性能相互關系，給出了復合防彈衣的損傷機理（Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 100: 161-169, 2017）。通過結構設計開發出剪切增稠膠（STG）-Kevlar-STF復合材料，發現STG不僅通過保護STF提高了Kevlar/STF的穩定性，同時增強了所得材料的力學性能（Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 106: 82-90, 2018）。同時，研制出具有傳感能力的防彈衣材料STG/CNTs-Kevlar（Soft Matter, 13: 2483-2491, 2017）。建立了相應的彈道測試系統，研究了Kevlar纖維復合織物在子彈沖擊中的失效過程，發現STG對Kevlar具有明顯的防彈增強效果（Composites Science and Technology, 153: 168-177, 2017）。

? ? ?3. 相關優質文獻推薦。

1）研制出導電性STF，其粘度隨著外加剪切或沖擊應變率的提高而增加。研究發現，該材料粘度變化的同時導電能力也相應變化，因此可以與Kevlar纖維復合研制對應力具有感應的復合智能材料（Materials & Design, 121: 92-100, 2017）

2）利用CNT的導電性能，開發出電導率隨應力變化的CNT/STG復合型剪切變硬膠。該材料在抵抗外來沖擊的同時可以通過電阻的量級變化給出外力的大小，因而在力傳感器中具有十分光明的應用前景（Journal of Materials Chemistry A, 3: 19790-19799, 2015）

3）將STG灌入多孔海綿研制出復合型防護材料，該材料顯示出優良的防護性能（ACS Applied Materials & Interface, 8(7): 4946-4954, 2016）

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