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中大吳進(jìn)/南工大霍峰蔚/川大張晟AFM：一種基于水凝膠微結(jié)構(gòu)的透氣、可拉伸和自校準(zhǔn)的多模態(tài)電子皮膚及無線穿戴式應(yīng)用

時(shí)間：2024-06-05 來源： 瀏覽：

中大吳進(jìn)/南工大霍峰蔚/川大張晟AFM：一種基于水凝膠微結(jié)構(gòu)的透氣、可拉伸和自校準(zhǔn)的多模態(tài)電子皮膚及無線穿戴式應(yīng)用

高分子科學(xué)前沿
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可穿戴和生物兼容性設(shè)備在醫(yī)療保健、軟機(jī)器人、人機(jī)交互、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。開發(fā)電子皮膚（e-skin）是實(shí)現(xiàn)仿生可穿戴和生物兼容設(shè)備的有效手段。電子皮膚有望具備良好的透氣性、高伸展性和選擇性檢測多種刺激的能力，從而提高長期佩戴的舒適性、檢測精度和應(yīng)用范圍?；趥鹘y(tǒng)傳感材料（如碳納米材料、納米線、金屬納米結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電聚合物）的電子皮膚已被廣泛研究，但其拉伸性有限，透氣性差，降低了佩戴舒適度、測量精度和設(shè)備可靠性。水凝膠具有固有的高拉伸性、多刺激響應(yīng)性和生物相容性，是制造下一代電子皮膚的理想材料之一。然而，由于其具有多刺激響應(yīng)性，在先進(jìn)的電子皮膚系統(tǒng)（包括但不限于基于水凝膠的系統(tǒng)）中，不同種類的傳感信號的串?dāng)_導(dǎo)致嚴(yán)重的信號讀取誤差，限制了其實(shí)際應(yīng)用。因此，亟需設(shè)計(jì)一種基于水凝膠的透氣、可拉伸和自校準(zhǔn)的多模態(tài)電子皮膚，以準(zhǔn)確檢測多刺激響應(yīng)復(fù)合信息，用于新興的醫(yī)療保健領(lǐng)域。

由于各種制備策略提高了水凝膠的綜合性能，近年來在開發(fā)基于水凝膠的多模態(tài)電子皮膚方面取得了重要進(jìn)展。然而，先前報(bào)道的基于水凝膠的電子皮膚要么無法同時(shí)檢測多個刺激（應(yīng)變、溫度和濕度），要么無法分離混合刺激信號進(jìn)行自校準(zhǔn)的準(zhǔn)確檢測，導(dǎo)致嚴(yán)重的信號相互干擾，也限制了其在實(shí)際生活中的應(yīng)用。為了解決這一問題， 本文設(shè)計(jì)了一種基于多種水凝膠微結(jié)構(gòu)的透氣、可拉伸和自校準(zhǔn)的多模態(tài)電子皮膚 ，不僅可以檢測多個刺激（應(yīng)變、溫度和濕度），還可以通過簡單的策略實(shí)現(xiàn)應(yīng)變/溫度/濕度的自校準(zhǔn)檢測。此外，通過鹽模板法制備了多孔彈性體薄膜，作為基底和封裝層有效提升了器件的透氣性，提高了佩戴舒適性，同時(shí)保持了高拉伸性。該電子皮膚表現(xiàn)出令人印象深刻的傳感性能， 包括低應(yīng)變檢測限（0.03%）、應(yīng)變線性度（ R 2 =0.990）、高溫度靈敏度（1.77%/ ℃ ）和寬濕度檢測范圍（33-98% RH） 。此外，通過將電子皮膚與無線電路集成，創(chuàng)建了富有個性的人機(jī)交互系統(tǒng)，用于簡單的手勢識別和溫度監(jiān)測。本工作為未來設(shè)計(jì)具有低成本、透氣性、可拉伸性和自校準(zhǔn)的多模態(tài)電子皮膚提供了思路。相關(guān)工作以“A Breathable, Stretchable, and Self-Calibrated Multimodal Electronic Skin Based on Hydrogel Microstructures for Wireless Wearables”為題發(fā)表在 Advanced Functional Materials 上。通訊作者為中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 吳進(jìn) 副教授、南京工業(yè)大學(xué)柔性電子（未來技術(shù)）學(xué)院 霍峰蔚 教授和四川大學(xué)高分子材料工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的 張晟 教授。共同第一作者為中山大學(xué)研究生 王偉燕 、 姚帝杰 和 王浩 。
圖1 多模態(tài)電子皮膚的結(jié)構(gòu)示意圖，應(yīng)變/溫度/濕度傳感機(jī)理，自校準(zhǔn)檢測機(jī)理及其實(shí)際應(yīng)用：人體生理信號監(jiān)測、智能假肢
多模態(tài)電子皮膚將聚丙烯酰胺/海藻酸鈣水凝膠纖維作為應(yīng)變/溫度傳感模塊，聚丙烯酰胺/卡拉膠水凝膠薄膜作為濕度傳感模塊，具備多孔結(jié)構(gòu)的彈性封裝膜作為襯底和封裝層。通過對水凝膠纖維進(jìn)行特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（蛇形和直線形），使得不同結(jié)構(gòu)在不同方向上具備不同的應(yīng)變靈敏度和相同的溫度靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)變/溫度的自校準(zhǔn)檢測。
圖2多模態(tài)電子皮膚的制備流程及電子皮膚的透氣性和拉伸性表征
利用模具法制備聚丙烯酰胺/海藻酸鈣水凝膠纖維，進(jìn)一步通過浸泡LiBr溶液得到抗凍且保濕的水凝膠纖維。通過二苯甲酮處理，實(shí)現(xiàn)聚丙烯酰胺/卡拉膠水凝膠薄膜與彈性體薄膜的界面交聯(lián)。將水凝膠纖維作為內(nèi)層傳感模塊，由模板法制備得到的多孔彈性封裝膜作為襯底和封裝膜，水凝膠薄膜集成在外部，得到多模態(tài)電子皮膚。該電子皮膚具備良好的透氣性，是基于無孔封裝膜的電子皮膚的透氣性的4倍。不僅如此，它還具備了良好的拉伸性，可承受100%拉伸而不發(fā)生層間破裂。
圖3 多模態(tài)電子皮膚在X方向上的傳感性能及對應(yīng)變/溫度的自校準(zhǔn)檢測
由于蛇形纖維和直纖維在不同方向上的應(yīng)變靈敏度不同，分別用于應(yīng)變和溫度傳感，具體分工由應(yīng)變方向決定。當(dāng)用于X軸應(yīng)變傳感時(shí)，直纖維的應(yīng)變靈敏度（GF=2.74）遠(yuǎn)大于蛇形纖維（GF=0.45），因此直纖維作為應(yīng)變傳感器，蛇形纖維作為溫度傳感器。電子皮膚不僅具有低應(yīng)變檢測限（0.03%），還具有短響應(yīng)時(shí)間/恢復(fù)時(shí)間（190 ms/158 ms）和良好的循環(huán)穩(wěn)定性等性能。因此可以通過蛇形纖維獲取外界溫度，結(jié)合直纖維的復(fù)合響應(yīng)圖得到此時(shí)的應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變/溫度雙模態(tài)自校準(zhǔn)檢測。
圖4 多模態(tài)電子皮膚在Y方向上的傳感性能及對應(yīng)變/溫度的自校準(zhǔn)檢測
當(dāng)應(yīng)變方向從X方向轉(zhuǎn)為Y方向時(shí)，直纖維和蛇形纖維的分工發(fā)生變化。此時(shí)，蛇形纖維具有更高的應(yīng)變靈敏度（GF=1.59），作為應(yīng)變傳感器使用；而直纖維對應(yīng)變相對不敏感。電子皮膚依舊展現(xiàn)出良好的應(yīng)變/溫度雙模態(tài)傳感性能，實(shí)現(xiàn)該方向上的應(yīng)變/溫度自校準(zhǔn)檢測的方法與前文類似。
圖5 多模態(tài)電子皮膚的濕度傳感性能及對應(yīng)變/濕度/溫度多種信息的自校準(zhǔn)檢測
通過二苯甲酮處理，使得水凝膠薄膜與多孔彈性體薄膜之間產(chǎn)生穩(wěn)定的共價(jià)界面交聯(lián)。利用彈性膜的疏水性以及Ecoflex預(yù)聚物的阻隔作用使得內(nèi)層的水凝膠纖維具備良好的抗?jié)穸雀蓴_功能，而暴露在環(huán)境空氣中的水凝膠薄膜則具備良好的濕度敏感性。對同一濕度的響應(yīng)隨著應(yīng)變的增加而增加，隨著溫度的上升而上升。當(dāng)檢測應(yīng)變/濕度時(shí)，通過應(yīng)變敏感的纖維獲取應(yīng)變信息，結(jié)合薄膜復(fù)合響應(yīng)解耦得到濕度信息；當(dāng)檢測溫度/濕度時(shí)，通過任一纖維獲取溫度信息。再從復(fù)合響應(yīng)中解耦得到濕度信息。由此實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變/溫度/濕度三個參數(shù)中任意兩個參數(shù)的自校準(zhǔn)檢測。
圖6 多模態(tài)電子皮膚的實(shí)際應(yīng)用：人體各關(guān)節(jié)運(yùn)動、皺眉、呼吸及體溫變化監(jiān)測
多模態(tài)電子皮膚不僅可以用于檢測人體大關(guān)節(jié)運(yùn)動，還可以捕捉細(xì)微的皺眉運(yùn)動，檢測人體體溫變化等，具有良好的實(shí)際穿戴式應(yīng)用意義。
圖7 多模態(tài)電子皮膚及其無線監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用：簡單手勢識別、溫度實(shí)時(shí)檢測、抓握不同溫度水杯及不同環(huán)境溫度下的呼吸監(jiān)測
將多模態(tài)電子皮膚和無線電路結(jié)合，構(gòu)筑出多模態(tài)無線傳感器，實(shí)現(xiàn)手勢識別和實(shí)時(shí)溫度檢測，同時(shí)，該電子皮膚在多參數(shù)應(yīng)用場景中也展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景，比如抓握不同熱水、檢測不同環(huán)境溫度下的呼吸行為，以及在智能假肢和智能口罩領(lǐng)域都具有應(yīng)用潛力。
論文信息：
Weiyan Wang, Dijie Yao, Hao Wang, Qiongling Ding, Yibing Luo, Haojun Ding, Jiahao Yu, He Zhang, Kai Tao, Sheng Zhang*, Fengwei Huo* and Jin Wu*.  A Breathable, Stretchable, and Self-Calibrated Multimodal Electronic Skin Based on Hydrogel Microstructures for Wireless Wearables,  Advanced Functional Materials, DOI: 10.1002/adfm.202316339
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202316339
來源：高分子科學(xué)前沿
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