《先进功能材料》发表中心在全纤维电子皮肤领域最新研究成果
发布人:曹谦芝  发布时间:2019-12-18   浏览次数:20

近日,中心俞建勇院士和丁彬研究员带领的纳米纤维研究团队在全纤维结构电子皮肤研究领域取得重要进展,相关成果以《具有高弹性和透气性的全纤维结构电子皮肤》(All-fiber structured electronic skin with high elasticity and breathability, DOI: 10.1002/adfm.201908411)为题,发表于国际著名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。东华大学系论文唯一完成单位,该论文第一作者为李召岭副教授,通讯作者为丁彬研究员。

生物皮肤主要承担着防御保护、排汗可呼吸、感知冷热和压力等功能。电子皮肤作为一种新型可穿戴柔性触觉传感器,具有仿生物体触觉感知的基本功能,直接关系到下一代机器人、医疗设备、人体假肢和可穿戴设备等载体的智能化和多功能化,是一个多学科交叉并迅速发展的领域。此外,电子皮肤还能够通过创造或再造触觉感知系统,实现生物皮肤没有的特殊功能。但电子皮肤对能源的需求限制了其向柔性化、弹性化、微型化的发展。此外,目前大多电子皮肤使用致密和不透气的膜结构材料,导致这类传感器的长时间佩戴会引起皮肤炎症和瘙痒等症状,难以满足人体热湿舒适性的生理需求。开发兼具优异柔韧性、力学响应性及透气性的电子皮肤对于促进智能可穿戴领域的发展具有重要意义。

 图1. 可呼吸可拉伸电子皮肤结构示意图及各功能层形貌图

针对上述问题,研究团队利用静电纺丝技术,基于摩擦起电和静电感应效应,制备了一种全纤维结构的自供能电子皮肤。该电子皮肤选用电负性高、机械性能好的PVDF纳米纤维作为感应层,柔性和导电性优异的碳纳米纤维作为电极层,拉伸性能和化学稳定性强的PU纳米纤维作为基底层,克服纳米纤维机械耐久性较差、力学响应性和透气性难以兼顾等技术瓶颈,实现了电子皮肤灵敏度与可呼吸性能的同步提升。研究表明所制备的电子皮肤具有优异的传感性能,在0-180 kPa的压力区间内可以实现0.18 Vk Pa-1的力学灵敏度。在最高为50%的拉伸变形条件下,电子皮肤压力传感阵列依然保持优异的传感稳定性和机械耐久性,同时全纤维结构电子皮肤具备良好的透气性能,水蒸气透过率可以达到10.26 kg m-2 d-1。制备的电子皮肤具备良好的适形性,可以灵敏的感受外界压力变化和人体关节运动,在平面、曲面和人体上实现实时的高精度空间映射。另外,该电子皮肤具备自供电功能,无需外部电源,并能作为电源使用驱动一些小型电子器件正常工作。该工作将为智能电子皮肤的发展提高新思路,在未来智能机器人,交互式设备,人工假肢和运动障碍辅助等领域具有重要的应用前景。

2. 可呼吸可拉伸电子皮肤压力传感性能及应用展示

该研究工作得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海市青年科技启明星计划、东华大学励志计划等项目的大力资助。论文全文链接:https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201908411