电子皮肤

Electronic skin (e‐skin), an important part toward the realization of artificial intelligence, has been developing through comprehending, mimicking, and eventually outperforming skin in some aspects. Most of the e‐skin substrates are flexible polymers, such as polydimethylsiloxane (PDMS). Although PDMS was found to be biocompatible, it is not suitable for long‐time wearing due to its air impermeability.

皮肤对压力敏感的能力促使科学家开发材料和设备来模拟这种功能。近来，柔性可拉伸的人工电子皮肤以其独特的检测微妙压力变化的能力受到越来越多的关注。压力传感是电子皮肤设备的关键功能之一。这里，我们研制了一种可伸展、高灵敏度的压力传感器，它采用带有皮革复合层的聚二甲基硅氧烷( PDMS )薄膜作为柔性部分。这些特点使传感器能够准确地检测人体的多种活动，如小指运动和弯曲、脉冲等。发现传感器对温度有很好的传感信号。这一特性为传感器检测温度提供了极大的希望。

柔性可穿戴传感器对于复杂环境中的各种实际应用，如电子皮肤、人体运动检测等具有极其重要的意义。然而，制备具有优异柔韧性、抗腐蚀、高灵敏度和环境适应性的低成本超疏水可穿戴传感器仍然具有挑战性。通过在多壁碳纳米管( MWCNTs )表面喷涂热塑性弹性体( TPE )溶液，在空气/水界面形成多壁碳纳米管( MWCNTs )薄膜，然后用聚二甲基硅氧烷( PDMS )泵入水处理MWCNTs薄膜的下表面，制备了超疏水柔性薄膜。在此过程中，TPE在MWCNTs上的包复使片材收缩，增加了导电网络的密度。PDMS涂层增强了薄膜的超疏水性能和MWCNTs的结合牢度。所制备的三明治型TPE / MWCNTs / PDMS薄膜具有较高的导电灵敏度、较宽的应变范围( 80 % )、快速稳定的响应时间( 60 ~ 80   ms )和1000次拉伸-松弛循环的稳定性。由于具有良好的超疏水性能，制备的薄膜能够被放入液体环境中，用于量化潮湿、酸、碱、盐等潮湿环境下的电阻。可有效用于测量腕部脉搏，监测与人体不同关节相关的各种运动，如手指、腕关节、肘关节等。而且，传感膜能够捕获不同气氛下的连续信号，如膜的面积变化、跌落冲击的实时应力响应等。本研究为多功能可穿戴传感器在恶劣环境下的广泛应用提供了一种新颖而有前景的途径。

尽管Ti3C2TxMXene片材具有很高的导电性，但为柔性电子器件设计高伸展性的MXene电极仍然是一个挑战。受kirigami图案高伸展性的启发，我们演示了一种自下而上的方法，通过在柔性PDMS基底上构建褶皱的MXene图案，以创建具有主次表面褶皱的层次化表面，设计高伸展性和导电性的聚二甲基硅氧烷( PDMS ) / Ti3C2TxMXene薄膜，用于电磁干扰( EMI )屏蔽和压力传感应用。通过预拉伸/释放循环过程中的非均匀变形，在分层薄膜的沟谷区域产生了自控制的微裂纹，使得PDMS / MXene分层薄膜具有很高的可伸展性( 100 % )，在0 % ~ 100 %应变范围内具有应变不变的电导率，并且在1000次循环疲劳测试中具有稳定的电导率。可拉伸薄膜在50 %的拉伸应变下表现出约30 d B的高稳定性EMI屏蔽性能，通过构建双膜结构，其EMI屏蔽效率进一步提高到103 d B。此外，采用模板印刷工艺制备了集成MXene基电极和电路的高可伸展性、高灵敏度离子电子传感器阵列，具有高灵敏度( 66.3 n F k Pa-1 )、不同频率下1000次循环的良好动态循环稳定性和50 %拉伸应变下的敏感压力监测能力。

柔性压力传感器因其在医疗、机器人和假肢等领域的广泛应用而引起了极大的关注。迄今为止，开发低成本可控的柔性压力传感器微结构仍是一个关键挑战。将可控石墨烯-纳米壁( GNWs )褶皱与聚二甲基硅氧烷( PDMS )弹性体相结合，研制了一种高灵敏度、低成本的柔性压阻传感器。对于GNWs - PDMS双层膜，垂直生长的GNWs薄膜可以有效提高界面强度，形成无分层共形褶皱。更重要的是，通过热起皱方法可以很容易地调节可控的微结构。褶皱石墨烯纳米壁( WG )压阻传感器灵敏度高( 0 ~ 2 k Pa区域S = 59.0 k Pa-1，2 ~ 20 k Pa区域S = 4.8 k Pa-1 )，响应速度快( \u003c 6.9 ms )，检测下限( LOD )为2 mg ( 0.2 Pa )。采用有限元方法分析了传感器的工作机理，发现皱纹的周期对传感器的性能起主导作用。这些突出的优点使得褶皱石墨烯传感器能够成功地检测到从弱刺激到大压力的各种信号，例如微弱气体和足底压力的检测。此外，物体操作、触觉成像和盲文识别的应用已经被证明，显示了它们在假肢和智能机器人领域的巨大潜力。

自供电触觉和压力传感器是新型智能电子器件的关键部件之一，无需外部电源即可感知各种外部物理刺激。随着自供电触觉传感器在健康状态和运动性能检测方面的潜在应用，受到了广泛关注。然而，制备具有可拉伸性、灵活性和低检测限的自供电触觉传感器仍然是一个挑战。本工作以简单的制作工艺和低廉的成本，演示了一种具有多级结构聚二甲基硅氧烷( PDMS )摩擦电层和PDMS /共晶镓铟( EGaIn )合金复合电极的自供电式摩擦电触觉传感器。0.23   Pa (实验)和7 mPa (计算)的检出限是目前报道的自供电摩擦电触觉传感器的研究现状。利用这种优良的特性，利用这种自供电的摩擦电触觉传感器实现了对人体手腕脉搏的监测。此外，由于摩擦电纳米发电机的工作机理，这种自供电的摩擦电触觉传感器表现出对拉伸的不妥协弹性甚至明显的损伤。