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核壳结构压电纤维电子皮肤研究领域取得重要进展，相关成果以《关节运动监测和触觉感知用形状高度自适应性纤维基电子皮肤》(Highly shape adaptive fiber based electronic skin for sensitive joint motion monitoring and tactile sensing, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104429)为题，发表于国际著名期刊《纳米能源》(Nano Energy)。东华大学为唯一完成单位，该论文第一作者是材料学院博士生朱苗苗，共同通讯作者为丁彬研究员和李召岭副教授。
生物皮肤具有重要的感知功能，是人体与环境相互作用的重要途径。受生物皮肤的启发，电子皮肤作为一种新兴的柔性仿生触觉传感器，近年来受到科研工作者的广泛关注。此类可穿戴电子器件往往需要在弯曲、拉伸、扭曲等各种复杂的动态场景下工作，为了不影响其压力传感性能，电子皮肤必须与人体或任意曲面无缝贴合，开发形状高度自适应性和穿着舒适性的电子皮肤已成为智能可穿戴领域的重要发展方向。有机压电纤维材料具有轻质柔韧、透气性优异和加工性能好等优点，成为制备可呼吸电子皮肤的重要材料。同时，压电式电子皮肤信噪比和灵敏度较高、结构简单且易于小型化，是实现高性能可穿戴电子皮肤的理想手段。根据纤维晶型结构与压电性能的关系，有机压电纤维的压电性能主要由大分子链中β相晶型的含量决定，如何进一步提高压电纤维的压电活性已成为提升压电式电子皮肤灵敏度及稳定性的关键。
图1. 核壳压电纤维电子皮肤结构设计及压力传感性能示意图
针对上述问题，研究团队设计并制备了一种以同轴核壳结构压电纤维为感应层，柔性导电织物作为电极层，高弹性聚氨酯薄膜作为基底封装材料的形状自适应性电子皮肤，确保人体佩戴的舒适性和压力传感的准确性。结合静电纺丝过程的机械拉伸和电场极化过程，使得压电纤维内部晶型由无压电活性的α相向压电性能最好的β相转变，进一步促进β相晶型形成。同时设计新型同轴核壳结构，芯部是高压电系数的无机钛酸钡（BTO）纳米颗粒，壳部是氧化石墨烯（GO）纳米片掺杂的聚偏氟乙烯（PVDF）纤维，无机-有机杂化复合的协同作用极大提升了压电纤维的压电活性。研究表明，所制备的电子皮肤具有优异的传感性能，在80-230kPa的压力区间内，可以实现10.89±0.5 mV·kPa-1的力学灵敏度。所制备的电子皮肤能够与三维柔性曲面无缝紧密贴合，可以安置在任意弯曲的表面，例如扭曲的人体皮肤或者弯曲的关节上，用以检测各种关节运动以及运动的幅度和频率。当被组装成压力传感阵列后，能够对外界物体的形状进行实时高精度空间触觉映射。这种新型形状自适应性纤维电子皮肤在运动医学、人机交互系统、智能机器人、智能假肢等领域具有广阔的应用前景。
图2. 核壳压电纤维电子皮肤在关节运动监测和触觉感知中的实际应用
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://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104429。
