近日，蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院蘭偉教授領(lǐng)銜的柔性電子科研團隊在電子皮膚領(lǐng)域取得新突破。團隊提出的一種一體式自供能全透明柔性電子皮膚，一改先前穿戴不方便、不美觀的缺點，能夠讓電子皮膚發(fā)揮更大作用。
實驗結(jié)果表明，這種新型電子皮膚系統(tǒng)除了具有優(yōu)異的柔性、透明性和電化學(xué)性能以及高靈敏度之外，充電后，該一體式電子皮膚還可模仿人類皮膚感知功能，貼敷于人體皮膚實現(xiàn)對脈搏、吞咽、肢體運動等微弱生理信號和大范圍肢體運動的多尺度人體活動的實時檢測。
解決傳統(tǒng)電子皮膚多個技術(shù)難題
(資料圖)
蘭偉介紹，模仿人類皮膚感知功能的電子皮膚是一種新型的柔性可穿戴傳感器，具有輕薄、柔軟、靈活等特點，可將外界刺激轉(zhuǎn)化為不同的輸出信號，因此在智慧醫(yī)療、人機交互、虛擬現(xiàn)實和人工智能等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
“傳統(tǒng)電子皮膚大多需要與外部電源集成，以及多設(shè)備協(xié)同工作?！碧m偉說，除了傳感部分外，傳統(tǒng)電子皮膚大多數(shù)組件通常都是剛性的，這極大地影響了電子皮膚的美感、舒適性和安全性，也對信號采集產(chǎn)生了不利影響。
“現(xiàn)有的電子皮膚通常依靠笨重的剛性電池或能量收集裝置來運行?！碧m偉介紹，但前者機械剛性大、重量大、體積大，后者受位置、機體或環(huán)境機械活動水平等特殊條件的限制，不能提供持續(xù)穩(wěn)定的能源供給。因此，迫切需要開發(fā)和構(gòu)建一款輕薄、柔軟、高透明度和高穩(wěn)定性的一體化自供電透明電子皮膚。
此外，實現(xiàn)電子皮膚透明化，可滿足視覺或美學(xué)的要求，也是走向?qū)嵱没谋亟?jīng)之路。電子皮膚的透明效果可為其功能設(shè)計提供更多靈感，例如與光伏能源收集模塊和變色效果集成。
“目前大多數(shù)電子皮膚多為不透明或部分透明，這主要是受限于結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇和滲流理論?！碧m偉說，理想的柔性電子皮膚應(yīng)該是其所有組成部件具有可拉伸性、透明性且高度集成，有獨立穩(wěn)定可靠的能源供應(yīng)組件以及無線信息傳輸功能。
基于長期的工作積累和研究經(jīng)驗，研究團隊提出了一種一體式自供能全透明柔性電子皮膚。
蘭偉介紹，該系統(tǒng)由透明超級電容器、可拉伸透明應(yīng)變傳感器和蛇形電阻組成。由一維銀納米線和二維MXene納米片構(gòu)建的“島橋結(jié)構(gòu)”應(yīng)變傳感器具有極高的靈敏度，超級電容器作為“隱身”電源可為一體式電子皮膚系統(tǒng)進行供電?！氨狙芯拷鉀Q了現(xiàn)有的電子皮膚依靠外部電源供電且需有線連接、非透明缺乏美感的問題?！碧m偉說。
實現(xiàn)了各尺度人體活動的檢測
蘭偉介紹，團隊的該項研究除了設(shè)計一種一體式自供能的全透明柔性電子皮膚，實現(xiàn)了透明超級電容器、可拉伸透明應(yīng)變傳感器和蛇形電阻的單片集成外，更重要的是實現(xiàn)了對脈搏、吞咽、肢體運動等微弱生理信號和大范圍肢體運動在內(nèi)的多尺
度人體活動的檢測。
“如何在保持一定透光率的前提下實現(xiàn)超級電容器的高儲能性能和傳感器的高靈敏度，是研究團隊面臨的最大困難?！碧m偉說。
此前，團隊長期從事柔性電子學(xué)方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，積累了大量的實驗數(shù)據(jù)。2017年，團隊首次提出了基于一維銀納米線網(wǎng)絡(luò)的柔性透明熱療片；2019年，團隊將銀納米線網(wǎng)絡(luò)作為超級電容器的集流體，在表面原位構(gòu)建了具有高贗電容特性的二維垂直納米片陣列作為活性材料，同時實現(xiàn)了器件的高透明度和出色的電化學(xué)儲能特性。為了擺脫滲流理論限制，團隊通過靜電紡絲結(jié)合磁控濺射技術(shù)制備出了大面積、排布方向可控的金屬銀納米纖維網(wǎng)絡(luò)的柔性透明電極，使導(dǎo)電性和透光率兩個關(guān)鍵指標方面同時得到了大幅度提升。
2021年，團隊將銀納米纖維網(wǎng)絡(luò)作為超級電容器的集流體，設(shè)計構(gòu)建了銀納米纖維與氧化鉬納米線復(fù)合的電極結(jié)構(gòu)，在不犧牲透光率的前提下實現(xiàn)了器件電化學(xué)儲能特性的大幅度提升。同年，團隊通過調(diào)控銀納米纖維的排布方向，發(fā)現(xiàn)基于定向排列銀纖維網(wǎng)絡(luò)的透明熱療片顯示出非常優(yōu)異的透明性、導(dǎo)電性和機械穩(wěn)定性。多個相關(guān)技術(shù)已獲得中國發(fā)明專利授權(quán)。
基于前期工作積累，團隊進一步從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備工藝優(yōu)化多等方面入手，進行一體式自供能的全透明柔性電子皮膚攻關(guān)，如利用缺陷工程提升超級電容器的能量密度，引入納米纖維素調(diào)控光折射率構(gòu)筑自支撐紙電極，設(shè)計一維銀納米線復(fù)合二維納米片網(wǎng)絡(luò)和“島—橋”結(jié)構(gòu)設(shè)計提高傳感器的透明性和靈敏度等。
未來電子皮膚將更接近真實皮膚
“電子皮膚是未來可穿戴電子設(shè)備的核心，具有廣闊的應(yīng)用前景。”蘭偉說，例如醫(yī)生佩戴電子皮膚可以使手術(shù)機器人獲取實時信息讓手術(shù)更精準；通過觸覺反饋實現(xiàn)親人之間或朋友之間的遠程“觸摸”；讓電子游戲玩家不單單享受視覺沖擊，更能切身體驗游戲中多種感受。這款電子皮膚具有厚度薄、柔軟親膚和生物相容性好等優(yōu)點，可以直接貼敷在人體皮膚上檢測微弱生理信號如脈搏、聲帶振動、吞咽和大范圍肢體運動狀態(tài)如頸椎、手腕、肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、腳踝等的活動。接下來，他們將著重解決傳感、電源等方面的問題。
在傳感方面，目前該電子皮膚功能較為單一，主要實現(xiàn)了拉伸應(yīng)變傳感，未來團隊將通過材料復(fù)合、結(jié)構(gòu)設(shè)計、封裝策略等途徑實現(xiàn)壓力、溫度、濕度等多維感知功能集成。傳感功能多樣化也將帶來技術(shù)難度的指數(shù)式增加，包括制造工藝復(fù)雜、成本高、不同信號之間的嚴重串擾等，如何通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計同時識別多個不同信號而不產(chǎn)生相互干擾顯得尤為重要。此外，現(xiàn)有電子皮膚大多由彈性硅膠拉伸體制成，為了提高使用者長期佩戴的舒適度，電子皮膚還應(yīng)該具備一定的透氣性和更加靈活的延展性?！拔覀兿Ｍ谖磥砟軌蛑瞥筛咏鎸嵠つw的電子皮膚?！碧m偉說。
“電源方面，我們?nèi)嵝噪娮涌蒲袌F隊將進一步提升柔性電池和超級電容器的能量密度，并探索與其他能量供應(yīng)方式集成，如納米發(fā)電機、光伏裝置等，希望可滿足電子皮膚的持續(xù)不間斷供電?！碧m偉說，另外，實現(xiàn)電子皮膚的無線信號傳輸、多設(shè)備協(xié)同、全柔性的后端電路與電子皮膚集成是整個系統(tǒng)未來多場景規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵，他們希望未來可以與國內(nèi)外相關(guān)科研團隊合作解決這些技術(shù)難題。（記者 頡滿斌）
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