Adv. Funct. Mater.：人機交互新方式-定向分布碳納米管構成的多功能可穿戴電子皮膚

【引言】

基于定向排列的碳納米管（AFWCNT）聚合物復合材料的新型多功能電子皮（E-skins），具有不同于隨機分散的CNT聚合物復合材料。本文主要研究了“隧道電流通道”理論的壓阻功能機理。電子皮膚的高性能源于其中嵌入的柔性復合材料中的AFWCNT陣列，具有導電各向異性，以及“管對管”界面電阻對彎曲或拉伸的響應性。基于聚合物/AFWCNT的屈曲敏感電子皮膚表現出具有高精度和線性度，以及低功耗（<10μW）和良好的穩定性（15000次彎曲-無彎曲循環后無衰減）。此外，聚合物/AFWCNT復合材料也能用于對張力對張力高度敏感的拉敏皮膚的構建。

【成果簡介】

近日，南京大學、美國杜克大學劉杰教授（通訊作者）及南京大學金鐘教授（通訊作者）和中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所陳立桅（通訊作者）在Adv. Funct. Mater.上發表了題為“Versatile Electronic Skins for Motion Detection of Joints Enabled by Aligned Few-Walled Carbon Nanotubes in Flexible Polymer Composites ”的文章。該團隊證明了定向排列的碳納米管直徑為3-5nm）的陣列可以作為有效的各向異性導電填料，優于隨機分散的CNT在柔性復合材料中的制備。半透明屈曲敏感電子皮膚具有耐疲勞性好，精度高，功耗低（<10μW），制造工藝簡單等優點。除了應用于屈曲敏感的電子皮膚之外，聚合物/AFWCNT復合材料還可以用于構建拉伸敏感的拉敏電子皮膚皮膚，用于檢測具有大的延伸比的拉伸。

【圖文導讀】

圖1 基于PMMA/AFWCNT復合材料的屈曲敏感電子皮膚的制備工藝和形態

（a）制造工藝的示意圖；

（b）從FWCNT森林（頂部）繪制的AFWCNT陣列的光學圖像和附著在表面（底部）上的AFWCNT陣列的彎曲PET基底；

（c）酒精處理后鋪在PET上的AFWCNT陣列的SEM圖；

（d）鋪在PET上的AFWCNT陣列的表面特征的地形AFM圖像；

（e）PMMA/AFWCNT復合材料的地形AFM圖像；

（f）偏置電壓為3.0V時的相應導電AFM圖像；

（g）基于PMMA/AFWCNT復合材料的彎曲屈曲敏感電子皮膚的光學圖像。

圖2 基于PMMA / AFWCNT復合材料的屈曲敏感電子皮膚的性能

（a）PMMA/AFWCNT復合材料屈曲敏感電子皮膚3D結構的圖示；

（b）非彎曲（實線）和彎曲狀態（虛線和曲線）的電子皮膚示意圖；

（c）非彎曲（θ=0°）和彎曲（θ=70°）狀態下的E皮膚的I-V曲線和光學圖像；

（d）當彎曲角度θ逐步改變時，E皮膚的電流變化ΔI作為時間的函數；

（e）由面板（d）計算的E皮膚的歸一化電流變化ΔI/IU作為彎曲角度θ的函數;空心圓表示實際實驗數據，紅線表示線性擬合數據；

（f）在各種彎曲角度的三次重復彎曲-彎曲循環期間作為時間的函數的ΔI/ IU；

（g）屈曲敏感的E皮膚從非彎曲狀態到不同彎曲狀態的響應時間（f）;中空矩形表示實際響應時間，紅線表示線性擬合數據；

（h）彎曲角度為70°的彎曲和不彎曲循環的彎曲敏感E皮膚的老化實驗（上圖）；三個底圖分別顯示了測試過程的初始，中期和結束階段的一些典型周期。

圖3 基于PMMA/AFWCNT的屈曲敏感電子皮膚和控制裝置的性能和功能機理比較

（a）Al/PMMA/AFWCNT/PET復合E-Skin（黑線）和控制裝置（Al/AFWCNT/PET，紅線；Al/PMMA/RCNT/PET，藍線；Al/RCNT/PET，紫色線）作為未彎曲狀態下的施加電壓的函數；

（b）在施加電壓為0.1V的Al/PMMA/AFWCNT/PET電子皮膚和控制裝置的70°時典型的彎曲-不彎曲循環；

c）Al/PMMA/AFWCNT/PET皮膚（i和ii）和Al/PMMA/RCNT/PET控制裝置（iii和iv）；

（d）通過vander Pauw方法對PMMA/CNT復合材料樣品的電氣特征的裝置設置的示意圖（左圖）和頂視圖（右圖）；

（e）施加電流輸入為10μA的Al/PMMA/AFWCNT/PET E皮膚（黑點）或Al/PMMA/RCNT/PET控制裝置（紅點）上的一個特定相鄰電極對的電位滴其他相鄰電極對。I21V34的典型x刻度表示：從電極②向電極①輸入恒定電流（10μA），并監視電極③和④之間的電位降。

圖4 基于PDMA/AFWCNT復合材料的基于PMMA/AFWCNT復合材料和拉伸敏感電子皮膚的屈曲敏感電子皮膚試驗

（a）在Kepton聚酰亞胺膠帶輔助下，示出了用于檢測肢體關節運動的屈曲敏感電子皮膚的應用示意圖（左）和附著在手指上的PMMA / AFWCNT E-skin的光學圖像（右）；

（b）在施加電壓為0.1V的手指彎曲 - 彎曲周期期間屈曲敏感的E皮膚的電流變化。插入物顯示在彎曲狀態下固定在手指上的屈曲敏感的電子皮膚的光學圖像；

（c）示意圖和（d）基于PDMS/AFWCNT復合材料的拉伸敏感電子皮膚的性能。拉伸敏感電子皮膚的電阻在拉伸釋放循環期間在恒定施加電壓為0.1V的不同應變下測量。插入物顯示了制備的拉伸敏感電子皮膚的光學圖像。

【小結】

該研究團隊基于定向分布的碳納米管，聚碳酸酯與AFWCNT復合材料的壓阻電子皮膚，具有器件結構簡單，精度高，響應快，穩定性好，功耗低等優點。預計具有各向異性感測能力的這些新型器件可能是未來仿生機器人和可佩戴智能探測器應用的有前景的候選者。

Wiley鏈接：http://www.materialsviewschina.com/2017/06/25350/（轉載wiley中國官網）

文獻鏈接：Versatile Electronic Skins for Motion Detection of Joints Enabled by Aligned Few-Walled Carbon Nanotubes in Flexible Polymer Composites（Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201606604）

本文由材料人編輯部納米材料學術組堅毅供稿，材料牛編輯整理。歡迎加入材料人編輯部納米材料學術交流群（228686798）！

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