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澳門大學(xué)周冰樸課題組 Small：集成三維仿生微纖毛結(jié)構(gòu)的自粘性電子皮膚
2024-10-08  來源：高分子科技

  柔性電子皮膚（E-skin）正因其有效的力電轉(zhuǎn)換特性而在穿戴式健康監(jiān)測及人機交互（HMI）等方面吸引了廣泛的關(guān)注。然而，如何將柔性電子器件完好地貼合到人體皮膚上，并根據(jù)機械刺激實現(xiàn)保形變形和可識別的電反饋，仍然是一項挑戰(zhàn)。有鑒于此，澳門大學(xué)周冰樸團隊與中國科學(xué)院深圳先進院張國平團隊合作，研制了一種可牢固附著在人體皮膚以感知機械刺激的自粘性電子皮膚。該電子皮膚的粘合層使用激光誘導(dǎo)來固化PDMS（聚二甲基硅氧烷），可確保E-skin與附著表面（如人體皮膚）之間的牢固連接。E-skin在曲面上的保形性附著，則保證了其在機械形變過程中能夠準確捕獲不同方向的關(guān)節(jié)變形以輸出相應(yīng)電信號。另外，三維仿生設(shè)計模仿了自然界中的微纖毛結(jié)構(gòu)，如昆蟲的觸角，能夠靈敏地檢測細微壓力變化，提供高分辨率的觸覺反饋。


圖1 (a) 基于自粘性電子皮膚的傳感交互界面示意圖；(b) 無粘性電子皮膚與人體皮膚分離會導(dǎo)致信號傳輸不穩(wěn)定示意圖；(c) 表面帶有三維微纖毛結(jié)構(gòu)的電子皮膚示意圖；(d) 手腕彎曲時非粘性和粘性E-skin的貼合對比示意圖；(e) 彎曲過程中粘附在腕關(guān)節(jié)上的粘性和非粘性E-skin對比圖像。


  作者通過優(yōu)化聚二甲基硅氧烷（PDMS）基材和激光誘導(dǎo)交聯(lián)反應(yīng)的參數(shù)，制備具有缺陷網(wǎng)絡(luò)的PDMS，從而實現(xiàn)模量區(qū)域化的表面自粘E-skin粘合層。其較高的拉伸性和魯棒性有利于電子皮膚在各類關(guān)節(jié)彎曲、表皮拉伸和按壓的應(yīng)用場景。 在此基礎(chǔ)上，結(jié)合外加磁場的輔助作用，該工作實現(xiàn)了PDMS/CNT的復(fù)合導(dǎo)電微纖毛陣列的原位制備。通過優(yōu)化其中的力學(xué)性能、力-電轉(zhuǎn)化效率及機械穩(wěn)定性，該三維電子皮膚可準確識別壓力、拉伸應(yīng)力，以及關(guān)節(jié)處不同方向的彎曲形變，并輸出非重疊信號以利于電子終端的信號區(qū)分。


圖2 (a) 激光固化制備具有粘附特性的功能層工藝示意圖；(b) 基于不同磁場強度和鐵磁成分比例的微纖毛形態(tài)變化和性能示意圖；(c) 貼附于人體皮膚的自粘性E-skin圖像及其表面微纖毛的掃描電鏡圖像。


  由于E-skin具有出色的自粘性和對機械刺激的非重疊信號，因此其作為可穿戴輸入終端可有效實現(xiàn)更多應(yīng)用，包括莫爾斯電碼通信、多維度機器人控制以及人機交互（HMI）指令傳輸。圖3a描述了手腕向內(nèi)和向外彎曲角度的定義。當(dāng)手腕向內(nèi)彎曲時，傳感器受到擠壓，表面微纖毛相互接觸，為負角度；相反，如果手腕向外彎曲，傳感器被拉伸，表面微纖毛相互分離，電阻的增加則被定義為正角度。非重疊的電信號可按需定義而實現(xiàn)更有效的莫爾斯電碼傳輸。當(dāng)手腕從-45°、-30°和-15°彎曲到15°、30°和45°時，E-skin可通過在負和正方向上提供相應(yīng)的電阻變化來精確監(jiān)測該動態(tài)過程（圖3b-c），并實現(xiàn)了類鼠標(biāo)左右鍵的手腕操作展示（圖3d）。文中亦展示了如何通過多器件的協(xié)同匹配，實現(xiàn)更高效的交互式應(yīng)用場景。


圖3 (a) 人體手腕向內(nèi)和向外彎曲以檢測相對電阻變化的示意圖；(b) 手腕彎曲不同角度時，自粘性E-skin傳感器的電阻響應(yīng)；(c) 自粘性E-skin附著在人的手腕上，通過向內(nèi)和向外的彎曲生成摩爾斯電碼的定義；(d) 模擬鼠標(biāo)功能的組合式自粘性E-skin傳感器演示。


  相關(guān)研究成果以“Self-Adhesive Electronic Skin with Bio-inspired 3D Architecture for Mechanical Stimuli Monitoring and Human-machine Interactions”為題發(fā)表在《Small》。文章第一作者為澳門大學(xué)應(yīng)用物理及材料工程研究院博士生代文雪。該工作受到了澳門科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金（0088/2021/A2, 006/2022/ALC）等的經(jīng)費支持。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202406564

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