黃維院士、霍峰蔚&黃鑫 Adv. Sci.: 具有感應功能的改性皮革用于多功能電子皮膚

【背景介紹】

? ? ? ? 皮膚是人體最大的器官，是保護內部器官的物理屏障，并擁有神經網絡來感知環境（溫度、壓力、振動等）刺激。在生活中，人不可避免的會受到外傷（戰爭、自然災害等），損壞皮膚，因而人工皮膚在前期的保護免受傷害和后期的仿真修復都具有很大現實意義。而電子皮膚是一種模仿的人體皮膚功能的人工皮膚。在人工智能研究領域中，研發出能夠模仿甚至超越人類皮膚的電子皮膚對于醫學診斷和仿生假肢都至關最要。例如，鮑哲南團隊通過引入微結構聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，使獲得的電子皮膚具有前所未有的靈敏度和短的響應時間。雖然PDMS具有良好的生物相容性，但是它具有不透氣的缺點，因此不適合人長時間穿戴。同時，柔韌性是電子皮膚模擬人體皮膚機械性能的關鍵因素。其中Rogers團隊通過將松散的蛇紋石納米帶與彈性體基質相結合，將傳統的脆性材料轉化為高度柔韌、可拉伸和可表現的電子皮膚。可見合理地集成不同功能的電子皮膚是可以實現甚至超越真實皮膚的性能。
? ? ? ? 眾所周知，皮革是從動物皮膚獲得的傳統天然材料，同時擁有皮膚的復雜結構。雖然傳統皮革的感知能力處于剝離狀態，但是可以恢復真皮的重要功能——敏感性。盡管Rogers團隊使用PDMS作為粘合劑將硅器件粘合在皮革上，但他們僅是將其作為簡單的基材處理，而忽略了皮革結構和性能的優點。由于皮革的層次結構使其易于裝載其他材料，所有皮革是作為制造高性能電子皮膚的潛在候選者。通過將不同的功能材料與皮革相結合制造出的新皮革，讓“死皮”重新被利用甚至超越真皮。

【成果簡介】

? ? ? ? 最近，南京工業大學的黃維院士、霍峰蔚教授和四川大學的黃鑫教授（共同通訊作者）等報道了一種簡單的、可設計的皮革電子皮膚。它結合了天然復雜的結構、皮革穿戴的舒適性和納米材料的多功能特性。 基于皮革的電子皮膚可以使“死皮”的皮革重新具有感應能力。這種電子皮膚可應用于靈活的壓力傳感器、顯示器和用戶交互裝置等。它為開發具有模仿甚至超越真皮功能的多功能電子皮膚提供了一類新的材料。研究成果以題為“Repurposed Leather with Sensing Capabilities for Multifunctional Electronic Skin”發布在國際著名期刊Adv. Sci.上。

【圖文解讀】

1、基于皮革的電子皮膚具有復雜層次結構可以作為加載不同種類功能性納米材料的獨特平臺。同時，制造基于皮革的電子皮膚的過程簡單、通用且可擴展，并且與傳統皮革工業中的鞣制和染色程序很好地匹配。通過合理的設計，改變皮革的用途為實現多功能電子皮膚提供了一個新的平臺。

圖一、基于皮革的電子皮膚設計原理示意圖

2、電子皮膚的主要功能就是在感知外部環境的刺激后將刺激轉換為模擬電子信號。因此，基于皮革的電子皮膚的導電性至關重要。

圖二、導電皮革

（a） 導電皮革的制造過程；

（b） 皮革的照片；

（c） 導電皮革的照片；

（d） 皮革的SEM圖像；

（e） 導電皮革的SEM圖像；

（f） 分別用0.08, 0.16和0.32 mg .cm^-2的α-CNTs沖擊后，導電皮革的可調電導率和對應的照片；

（g）CNTs、α-CNTs、皮革和導電皮革的拉曼光譜。

3、由于皮革具有層狀、多孔的結構和皮革與碳納米管之間存在化學作用，因此α-CNTs在皮革中具有良好的滲透性。基于α-CNTs對皮革的良好滲透性是皮革結構和皮革與α-CNTs之間化學相互作用的結果，因此或許可以將這種制造方法擴展到其他納米材料。

圖三、制造策略可以擴展到其他納米材料
（a、e）參雜Ag NWs（銀納米線）的皮革照片和SEM圖像；

（b、f）參雜PEDOT NFs（聚3,4-乙烯二氧噻吩納米纖維）的皮革照片和SEM圖像；

（c、g）參雜GO（石墨烯氧化物）的皮革照片和SEM圖像；

（d、h）參雜Au NPs的皮革照片和SEM圖像。

4、壓力傳感器的傳感機制是利用外部負載力讓交叉指型的電極陣列之間的導電、傳到電信號。基于導電皮革（α-CNTs /皮革），利用一個導電皮革和一個用交叉電極陣列圖案化的皮革，設計制造了一種柔軟且可穿戴的具有傳感特性的壓力傳感器。此外，由于皮革的固有可穿戴性和柔性，因此該裝置可以制成不同的形狀。

圖四、基于導電皮革的柔性和可穿戴的壓力傳感器
（a）柔性壓力傳感器的制造過程的示意圖；

（b）直接在手腕動脈上方的表帶形狀的電子皮膚的照片；

（c）α-CNTs /皮革的橫截面形態的SEM圖像；

（d）在不同壓力下的α-CNTs /皮革的示意圖；

（e）α-CNTs /皮革對各種壓力的反應；

（f、g）在不同放大倍數下α-CNTs /皮革的表面形態的SEM圖像；

（h、i）在不同放大倍數下α-CNT /皮革的橫截面的SEM圖像；

（j）在正常條件下測量手腕脈沖的物理力；

（k）傳感機制：響應加載和卸載壓力的電流變化。

5、將皮革獨特的分層結構與納米材料的優異性能相結合制備的α-CNTs /皮革電子皮膚不僅可以測量不同的壓力，還可以用于持續監測人的手腕脈搏。這表明通過合理的設計，基于皮革的電子皮膚是可以重新利用觸覺，將顯著的促進信息的可視化，有利于改善人們的交流溝通和生活方式。同時，由于其獨特的平面結構和可調電導率，α-CNTs /皮革可以用作顯示器的負極。

圖五、基于皮革的顯示器和用戶交互式電子皮膚提供即時的視覺響應
（a） 基于皮革的顯示器的結構；

（b、 c）分別在打開之前和之后的皮革顯示器的照片；

（d-f）通過調節從輕觸到深按的施加力，顯示器的亮度同步增加；

（g） 基于皮革的用戶交互式電子皮膚的結構。

【總結】

? ? ? ? 文中展示了一種重新利用皮膚的壓力傳感特性顯示用戶交互以及人體健康監測的實用的電子皮膚。這種電子皮膚是基于皮革的復雜結構和納米材料的多功能特性而實現其優良特性的。由于皮革的復雜層次結構，使得基于皮革的電子皮膚具有高靈敏度性。并且基于皮革的電子皮膚具有制造過程簡單、通用且可擴展的優點，從而有利于低成本的大規模生產。這種利用皮革作為柔軟和可穿戴電子產品基材的策略，展示了低價值皮革上升循環的增值前景。相信這樣的設計將有利于新的柔性電子產品的出現，并有助于釋放多功能電子皮膚（智能機器人、健康監測設備等）的潛力。

文獻鏈接：Repurposed Leather with Sensing Capabilities for Multifunctional Electronic Skin（Adv. Sci., 2018, DOI:10.1002/advs.201801283）

本文由材料人高生材料組小胖紙編譯，材料人整理。

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