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  隨著柔性和可穿戴電子技術(shù)的迅速發(fā)展，未來(lái)設(shè)備對(duì)滿(mǎn)足性能、環(huán)保和可持續(xù)性要求的材料的需求不斷增加。當(dāng)前，柔性電子領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)之一是兼具卓越機(jī)械性能與環(huán)境兼容性的材料的匱乏。傳統(tǒng)的導(dǎo)電材料，如氧化銦錫（ITO）和金屬導(dǎo)體等，雖然在電學(xué)性能上表現(xiàn)出色，但在電子廢棄物污染日趨嚴(yán)重的背景下，其在柔性、環(huán)保以及生態(tài)友好性方面存在顯著缺陷。因此，尋找可替代的、更加可持續(xù)的柔性導(dǎo)電材料成為了行業(yè)亟需解決的問(wèn)題。近年來(lái)，天然生物高分子材料，特別是蠶絲蛋白（SF），因其良好的生物降解性、機(jī)械強(qiáng)度和可持續(xù)性，成為柔性電子的理想材料。然而傳統(tǒng)的方法往往將天然材料與非可持續(xù)的導(dǎo)電填料相結(jié)合，這不僅引入了有毒副產(chǎn)品，還導(dǎo)致了材料的不可持續(xù)性。而采用離子導(dǎo)體材料，通過(guò)生物高分子與各種鹽類(lèi)的協(xié)同作用，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能的有效融合。然而，SF作為功能性離子導(dǎo)體在柔性電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用尚未得到充分探索。

圖1、SFITS的結(jié)構(gòu)、特性及應(yīng)用示意圖

圖2、SFITS的制備及其性能表征。

圖3、SFITS的觸摸定位原理與校準(zhǔn)

  基于SFITS材料良好的綜合性能，研究者團(tuán)隊(duì)采用表面電容技術(shù)開(kāi)發(fā)了基于SFITS的觸摸屏。表面電容技術(shù)雖然在商業(yè)觸摸屏中已有廣泛應(yīng)用，但目前大多數(shù)商用觸摸屏依賴(lài)剛性ITO導(dǎo)電玻璃作為基底，這極大地限制了其在柔性和可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題，早前的研究通過(guò)引入柔性電極材料，如銀納米線、金屬網(wǎng)、導(dǎo)電聚合物、聚合物基水凝膠和碳納米材料，提升了觸摸屏的柔性。然而，這些材料的高成本以及電子廢棄物的產(chǎn)生，限制了其可持續(xù)發(fā)展。相比之下，SFITS材料具有高透明度、類(lèi)皮膚機(jī)械特性和良好的可持續(xù)性能，具備制造環(huán)�？沙掷m(xù)、高可拉伸和超柔性可穿戴觸摸屏的潛力，尤其適用于人機(jī)界面和可穿戴電子產(chǎn)品。研究者通過(guò)一維SFITS觸控條帶的實(shí)驗(yàn)示范，闡釋了基于表面電容技術(shù)的電壓變化觸摸位置檢測(cè)原理。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)手指觸碰SFITS條帶時(shí)，觸點(diǎn)會(huì)引起電流流動(dòng)，該電流與手指的觸摸位置有關(guān)，從而引起外部電阻兩端的電壓變化。通過(guò)監(jiān)測(cè)不同觸摸點(diǎn)的電壓變化，便可精確定位手指位置（圖3a-c）。同時(shí)，SFITS顯示出優(yōu)異的響應(yīng)速度和高壓敏感性，在不同采樣頻率下均能清晰讀取觸摸信號(hào)，響應(yīng)時(shí)間為670 ms至10 ms不等，滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景需求。此外，在100%拉伸狀態(tài)下，SFITS仍能可靠地識(shí)別觸摸點(diǎn)的位置變化，并且恢復(fù)原長(zhǎng)后，仍具有精準(zhǔn)定位能力（圖3d-i）。通過(guò)動(dòng)態(tài)連續(xù)觸碰演示，SFITS還能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)滑動(dòng)手勢(shì)，適用于游戲控制，如飛行器避障等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

圖4、SFITS的智能化應(yīng)用

  最后，研究者展示了基于SFITS的多功能智能應(yīng)用系統(tǒng)。通過(guò)與IoT和AI技術(shù)的結(jié)合，SFITS系統(tǒng)不僅能夠精確記錄觸摸和滑動(dòng)手勢(shì)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，還可以實(shí)時(shí)處理并將信號(hào)傳輸?shù)讲煌墓δ苣K，支持遠(yuǎn)程觸控、手寫(xiě)識(shí)別、智能人機(jī)交互等多種應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了四種基于SFITS的智能應(yīng)用。首先，通過(guò)精準(zhǔn)的觸摸位置識(shí)別，結(jié)合IoT技術(shù)，SFITS可用于遠(yuǎn)程家電設(shè)備的控制。其次，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)手寫(xiě)字符識(shí)別功能，能夠?qū)⑹謱?xiě)字符準(zhǔn)確轉(zhuǎn)化為ASCII編碼字符，拓展了SFITS在生成式大語(yǔ)言模型和VR控制應(yīng)用中的潛力。這些創(chuàng)新展示了SFITS在綠色環(huán)保、智能可穿戴柔性電子領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景，為未來(lái)可持續(xù)、智能化電子設(shè)備的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202412972