中国科学技术大学Adv. Funct. Mater.：一种监测人体运动的自吸能触觉电子皮肤

【引言】

皮肤作为人体最大的器官，在人体和外界环境的相互作用过程中扮演了重要角色。随着健康监测和人机交互的需求增加，高灵敏、多功能人造皮肤模拟人体皮肤的传感性能吸引了全世界的兴趣。到目前为止，已经发展了压阻、压电、摩擦和电容型电子皮肤。其中，由于压阻型传感器制备简单、高灵敏和低成本优点，有望成为最有前景的电子皮肤。

最近，为了模拟人类皮肤的功能，更多工作致力于发展多功能压阻型电子皮肤。到目前为止，这些工作都是关注皮肤的传感特性，而忽视了皮肤其它的功能。尤其，复杂结构的皮肤具有抵抗外部伤害，保护人体的功能。这里，研究人员将银纳米线植入PET和复合聚合物之间，制备了一种具有多种传感特性和防护功能的电子皮肤。

【成果简介】

近日，中国科学技术大学宣守虎副教授和长安大学尹冠生教授（共同通讯作者）研究小组通过组装Ag纳米线、聚酯（PET）膜和SST/PDMS基体构建了具有吸能防护和多功能传感特性的电子皮肤。这种具有高阻尼的电子皮肤可以抵消720 到 400 N的冲击力，并且也可以探测人体运动。该研究成果以“Novel Safeguarding Tactile e-Skins for Monitoring Human Motion Based on SST/PDMS–AgNW–PET Hybrid Structures”为题发表在Adv. Funct. Mater.上。第一作者为王胜博士后（中国科学技术大学）。

【图文导读】

图1. 电子皮肤制备过程示意图

(a-c) 复合聚合物的制备过程；

(d-f) 具有有效导电途径Ag纳米线的制备过程；

(g-i) 固化复合材料和制备电子皮肤。

图2. 所制聚合物的物理特性

(a) SST聚合物的压缩-恢复特性；

(b) PDMS的压缩-恢复特性；

(c) 以90:10比例混合所制SST/PDMS的压缩-恢复特性；

(d) 以70:30比例混合所制SST/PDMS的压缩-恢复特性；

(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。

图3. 复合聚合物的机理与结构表征

(a) 复合聚合物的低延伸率；

(b-c) SST和复合聚合物的抗冲击性；

(d) 所制聚合物复合材料抗剪刚化效应的机理；

(e) 所制聚合物复合材料的FT-IR；

(f) 所制聚合物复合材料的XRD；

(g) 在0.1–100 Hz剪切频率下，所制聚合物复合材料的速率和流变特性关系。

图4. 人造皮肤的压力传感能力

(a) 施加压力为1, 5, 20和50 N的传感性能；

(b) 施加弯曲应变为1%, 5%, 10% 和30%，电子皮肤的ΔR/R₀和弯曲应变次数的关系。

图5. 探测各种人体运动以及复杂的肌肉运动

(a) 轻轻触碰，电子皮肤产生的感知行为；

(b) 撞击，电子皮肤产生的感知行为；

(c-d) 静态压缩，电子皮肤产生的感知行为；

(e-h) 拼写“USTC”，电子皮肤产生的感知行为；

(i) 说话，电子皮肤产生的感知行为；

(j) 握住，电子皮肤产生的感知行为；

(k) 手臂弯曲，电子皮肤产生的感知行为；

(l) 扭曲，电子皮肤产生的感知行为。

图6. 电子皮肤的触觉感知和吸能防护特性

(a) 落锤测试设备；

(b) 力学传感器记录的力-时间曲线；

(c) 缓冲时间与降落高度的关系；

(d) 冲击力和电学信号与降落高度之间的关系；

(e) 电子皮肤在负载和卸载循环下的稳定性；

(f) 在20cm降落高度下，电子皮肤的电学性能与降落重量之间的关系。

图7. 温度对电子皮肤的影响

(a-e) 在10~60℃内，电子皮肤的颜色变化；

(f-j) 在10~60℃内，相应的电阻变化；

(k) 温度与电子皮肤机械特性的关系；

(l) 电子皮肤的稳定性测试。

图8. 3 × 3电子皮肤阵列与传感特性

(a) AgNWs/PET阵列；

(b-c) 在弯曲下，压力分布的识别；

(d-f) 准静态压缩激发；

(h) 由落锤产生的动态冲击力；

(i) 电阻变化分布。

【小结】

研究人员通过PET 膜、Ag纳米线和复合聚合物组装的具有多功能传感和防护性能的电子皮肤阵列。所制电子皮肤可以感知弯曲、压缩和扭转，并且可以抵抗外部力量和吸收50%的冲击能量。这种电子皮肤在监测人体运动和环境变化方面有巨大的应用。

文献链接：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)

补充信息：

1. 团队介绍；

宣守虎副教授，中国力学学会实验力学专业委员会委员，2010年加入中国科学技术大学近代力学系，一直注重在力学、流变学、材料学等多学科交叉中的实验力学方法和技术研究，研究方向为智能材料的力学行为设计及性能分析。2016年10月获得中国力学学会、中国化学会联合颁发的第九届“中国流变学青年奖”。

     2. 团队在该领域工作汇总；

宣守虎副教授从2014年开始关注新型防弹衣材料的制备及性能研究。研制出剪切增稠液（STF）增强Kevlar纤维织物，发现STF的流变性能与防弹衣的力学性能相互关系，给出了复合防弹衣的损伤机理（Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 100: 161-169, 2017）。通过结构设计开发出剪切增稠胶（STG）-Kevlar-STF复合材料，发现STG不仅通过保护STF提高了Kevlar/STF的稳定性，同时增强了所得材料的力学性能（Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 106: 82-90, 2018）。同时，研制出具有传感能力的防弹衣材料STG/CNTs-Kevlar（Soft Matter, 13: 2483-2491, 2017）。建立了相应的弹道测试系统，研究了Kevlar纤维复合织物在子弹冲击中的失效过程，发现STG对Kevlar具有明显的防弹增强效果（Composites Science and Technology, 153: 168-177, 2017）。

     3. 相关优质文献推荐。

1）研制出导电性STF，其粘度随着外加剪切或冲击应变率的提高而增加。研究发现，该材料粘度变化的同时导电能力也相应变化，因此可以与Kevlar纤维复合研制对应力具有感应的复合智能材料（Materials & Design, 121: 92-100, 2017）

2）利用CNT的导电性能，开发出电导率随应力变化的CNT/STG复合型剪切变硬胶。该材料在抵抗外来冲击的同时可以通过电阻的量级变化给出外力的大小，因而在力传感器中具有十分光明的应用前景（Journal of Materials Chemistry A, 3: 19790-19799, 2015）

3）将STG灌入多孔海绵研制出复合型防护材料，该材料显示出优良的防护性能（ACS Applied Materials & Interface, 8(7): 4946-4954, 2016）

本文由材料人编辑部新能源小组寻常【高放】编译，参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065952”。

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