丁彬AFM:可呼吸的全纤维结构电子皮肤

丁彬AFM:可呼吸的全纤维结构电子皮肤【概述】

    随着人工智能的飞速发展,可穿戴电子皮肤受到了广泛的关注。由柔性传感器阵列组成的电子皮肤可直接安装在人体上,进行实时的触觉感知和生物力学活动监测。然而,制造具有高弹性和透气性的器件仍是一个挑战,同时,目前器件对外部电源的依赖也使其发展受到局限。

    近日,东华大学丁彬教授课题组利用静电纺丝技术开发出一种具有高弹性和透气性的全纤维结构电子皮肤,可用于压力传感、能量采集和运动定位等应用,为电子皮肤的发展开辟了道路。作者所制备的电子皮肤具有高灵敏度,在0-175 kPa的检测范围内显示出高压力感应,灵敏度为0.18 V kPa-1。而且该材料具有高弹性,在弹性变形达到50%情况下,依然能保持优越的传感性能和力学稳定性,易适应不同的目标,可用于实时的空间映射和长期的触觉感知。此外,该电子皮肤具有较高的透气性,水蒸气的透过率为10.26 kg m-2d-1

【文章详情】

丁彬AFM:可呼吸的全纤维结构电子皮肤1 该电子皮肤的结构与形貌表征。

    弹性透气电子皮肤的设计原理是单电极摩擦电纳米发电机(TENG),包含9个面积为1×1cm2(图1b)的结构单元作为压力传感器和能量采集器。压力传感器阵列拥有完全由纳米纤维材料构成的多层结构(图1a),使得电子皮肤具有良好的透气性。以疏水性聚偏氟乙烯PVDF NFs)为摩擦电(传感)层,高导电碳(C NFs)和高弹性聚氨酯(PU NFs)分别作为有效电极层和衬底层,其中C NFs通过掺杂SiO2纳米颗粒(NPs)而获得良好的力学性能。作者利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)将三层纳米纤维组装到电子皮肤中(图1c),保证了电子皮肤的稳定性和耐久性。

丁彬AFM:可呼吸的全纤维结构电子皮肤2 电子皮肤的电输出和传感能力。

   作者评估了具有不同接触面积的单像素的输出电压(图2a),可以发现,输出电压随单电子皮肤像素的面积而增加。从图2c,d可以观察到随着距离从0.1mm增加到5mm,电位差也从8V增加到160V。另外,电子皮肤的输出电压随着压力的增大而增大(图2e),反映了电子皮肤的快速响应。

丁彬AFM:可呼吸的全纤维结构电子皮肤3 电子皮肤的弹性和透气性测试。

    如图3a,b所示,当电子皮肤从0%拉伸到50%时,电输出仍然保持稳定,而且可以在手指触摸下成功点亮一个发光二极管(LED)。如图3c所示,全纤维结构的电子皮肤具有优异的水蒸气透性,在100℃加热30分钟后,亚甲蓝染色的水滴并没有消失或扩散,说明电子皮肤具有良好的疏水性。

丁彬AFM:可呼吸的全纤维结构电子皮肤4 该电子皮肤的工作原理。

    该电子皮肤可将人体动作转换成电能,从而实现电子皮肤的自供电功能,其工作原理基于接触带电和静电感应的耦合效应,同时实现压敏和能量获取。人体皮肤可作为单电极TENG中的另一种摩擦电材料,当人体皮肤与电子皮肤中的传感层充分接触时,在两个表面上产生了等量的相反电荷。在分离过程中,正电荷被诱导到碳NFs电极上,PVDF NFs上的负电荷没有得到有效的补偿。由于电位差的作用,自由电子通过外部负载从电极层向地面移动,从而产生电流(图4b)。

丁彬AFM:可呼吸的全纤维结构电子皮肤5 该电子皮肤的一些实际应用。

    如图5a,b,c所示,以可见的LED信号进行实时空间映射,该电子皮肤展现了其在手指触摸板、压力测绘系统、触觉传感器(即电子皮肤)方面的应用前景。除了触觉感知,电子皮肤还可以用于运动定位,调节人体活动。如图5d、e所示,仅轻敲单传感器单元(4×4 cm2),电压信号就可达220V(图5f),还可以瞬间点亮50个串联LED (图5g),同时可以稳定运行电子表(图5h)。

【文章结论】

    综上所述,作者成功开发了一款全纤维结构的高弹性透气电子皮肤。该电子皮肤在传感范围内具有较高的压力感应灵敏度,在弹性变形达到50%时仍可保持传感性能和力学稳定性,其透气性及防水性可与最先进的防水透气材料相当。该电子皮肤可适应各种非平面表面,包括人的皮肤,因此可以用于触觉感知和不同目标的空间映射。此外,电子皮肤具备自供电功能,还可以作为可穿戴电源,通过人手轻敲驱动一些电子器件。该电子皮肤具有良好的触觉传感性能,具有高弹性、高透气性、自供电、低成本、可扩展性等优点,可广泛应用于智能机器人、交互式可穿戴设备、假肢、残疾人等领域。

Zhaoling Li, Miaomiao Zhu, Jiali Shen, Qian Qiu, Jianyong Yu, and Bin Ding. All-Fiber Structured Electronic Skin with High Elasticity and Breathability. Adv. Funct. Mater. 2019, DOI:10.1002/adfm.201908411

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参考文献:Adv. Funct. Mater.