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  7月25日，材料學(xué)科領(lǐng)域知名期刊Advanced Functional Materials在線刊發(fā)了浙江理工大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院（國(guó)際絲綢學(xué)院）余厚詠教授團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜完成，題為《Mass-producible 3D Hair Structure-editable Silk-Based Electronic Skin for Multi-Scenario Signal Monitoring and Emergency Alarming System》的研究成果，報(bào)道了團(tuán)隊(duì)對(duì)柔性傳感材料設(shè)計(jì)的新突破。該文是紡織科學(xué)與工程學(xué)院（國(guó)際絲綢學(xué)院）今年1月來的第一篇AFM論文；碩士研究生葛丹第一作者，余厚詠教授為通訊作者，浙江理工大學(xué)為第一完成單位。

  隨著智能機(jī)器人、智能可穿戴設(shè)備和人機(jī)交互 (HMI) 領(lǐng)域的研究不斷推進(jìn)，模仿人類皮膚的人造電子皮膚 (e-skins) 變得越來越重要，微觀結(jié)構(gòu)工程電子皮膚（e-skin）有利于推進(jìn)可穿戴電子產(chǎn)品、假肢和人機(jī)交互（HMI）。然而，傳統(tǒng)微觀結(jié)構(gòu)技術(shù)對(duì)電子皮膚的調(diào)控復(fù)雜且昂貴，工藝復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn)大批量的生產(chǎn)，而且結(jié)構(gòu)變形能力差導(dǎo)致檢測(cè)范圍小、靈敏度低。

  針對(duì)這一關(guān)鍵問題，余厚詠教授團(tuán)隊(duì)受皮膚毛發(fā)和昆蟲毛刺結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，對(duì)以 3D 仿生結(jié)構(gòu)策略制造的P-silk/RG電子皮膚進(jìn)行系統(tǒng)研究；研究發(fā)現(xiàn)P-silk/RG受益于這種3維結(jié)構(gòu)的可編輯性（長(zhǎng)度、位置），P-silk/RG具有信號(hào)選擇性，長(zhǎng)纖毛P-silk/RG表現(xiàn)出高靈敏度（響應(yīng)微弱的信號(hào)氣流），而短纖毛P-silk/RG表現(xiàn)出寬壓力檢測(cè)范圍（0.5-200 g）和高循環(huán)穩(wěn)定性（8000次壓縮）。因此，不同形式的P-silk/RG用于不同的場(chǎng)景（長(zhǎng)纖毛用于監(jiān)測(cè)呼吸和咳嗽，用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和疾病診斷，短纖毛用于壓力敏感的莫爾斯電碼）。此外，P-silk/RG還具有良好的防水性、可編輯的導(dǎo)電點(diǎn)和易于設(shè)備集成等特點(diǎn)，為水下信息傳輸、多位編碼命令輸出、緊急運(yùn)動(dòng)事故和久坐預(yù)警等提供了基礎(chǔ)。令人驚訝的是，將這種結(jié)構(gòu)與紡織編織相結(jié)合可以批量生產(chǎn)。該研究這種3D仿生結(jié)構(gòu)策略賦予了電子皮膚可編輯性，提高了場(chǎng)景適應(yīng)性，為大批量生產(chǎn)提供了途徑。

圖1.人體皮膚和毛發(fā)的感覺機(jī)制示意圖。仿生 P-silk/RG 電子皮膚的結(jié)構(gòu)。電子皮膚的整體構(gòu)成包括導(dǎo)電纖毛（P-silk）和底層柔性薄膜（RG薄膜）。導(dǎo)電纖毛P-silk作為主要傳感單元，纖毛之間碰撞接觸的變化帶來信號(hào)變化。柔性RG薄膜作為連接基板，賦予電子皮膚一定的形變靈活性。

圖2，P-silk/RG電子皮膚的不同部位的基礎(chǔ)表征

  P-silk/RG兼顧了上層P-silk纖毛的靈敏性和易編輯的特點(diǎn)，和下層RG的柔韌靈活性。

圖3，探究了不同長(zhǎng)度纖毛的P-silk/RG的不同性能

  纖維具有一定的柔韌性，長(zhǎng)纖維由于其柔軟易變形，因此能捕獲微弱氣流信號(hào)，在氣流的作用下，形成纖維分散點(diǎn)，導(dǎo)致導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)變松散，電阻增大，在氣流停止時(shí)，P-silk由于具有一定的韌性，會(huì)回復(fù)，填充分散點(diǎn)，從而導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)變緊密，電阻回復(fù)變小。

  纖維越短剛性越強(qiáng)，纖維發(fā)生變形更困難，氣流對(duì)難以改變短纖維的形態(tài)從而減少了纖維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的改變，因此，電阻變化幾乎可以忽略。然而短纖維P-silk/RG電子皮膚具有更高的按壓信號(hào)的穩(wěn)定性（Figure 3i），這是由于纖維變短，纖維的受壓回復(fù)性越高、糾纏減少，在受壓之后，可以更靈敏的恢復(fù)纖維形態(tài)，故而響應(yīng)穩(wěn)定性提高。

圖4，長(zhǎng)纖毛P-silk/RG可適用于人體呼吸監(jiān)測(cè)

圖5，短纖毛P-silk/RG適用于多場(chǎng)景應(yīng)用并易于器件集成

  P-silk的優(yōu)異變形能力可以賦予表面形貌的自適應(yīng)彎曲行為，而RG薄膜的柔韌性使其具有柔性。通過P-silk/RG電子皮膚的可編輯性（P-silk的長(zhǎng)度、種植位置），可以觀察到不同的信號(hào)響應(yīng)和信號(hào)選擇。長(zhǎng)纖毛氣流對(duì)呼吸和咳嗽感應(yīng)的響應(yīng)可用于運(yùn)動(dòng)和呼吸診斷的預(yù)警和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，這可以通過在口罩上和鼻子下粘貼P-silk/RG電子皮膚來實(shí)現(xiàn)。短纖毛電子皮膚還可用作高性能壓力傳感器，具有寬壓力檢測(cè)范圍，可輸出多位編碼命令和智能坐墊。長(zhǎng)、短P-silk/RG的組合可以將氣流（微弱）和壓力（大變形）信號(hào)的監(jiān)測(cè)集成在同一個(gè)電子皮膚上，可應(yīng)用于復(fù)雜情況（洞穴）的情況監(jiān)測(cè)和信號(hào)輸出。此外，P-silk/RG電子皮膚具有良好的水下穩(wěn)定性，可以通過莫爾斯電碼通信實(shí)現(xiàn)水下信息傳輸。并且電子皮膚可以通過與蜂鳴器連接構(gòu)成早期報(bào)警裝置。重要的是通過織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與紡織面料基材相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)電子皮膚的大批量的生產(chǎn)。總之，這種簡(jiǎn)單的3D仿生結(jié)構(gòu)策略賦予了電子皮膚具有可編輯性，降低了制作難度，提高了場(chǎng)景適應(yīng)性，節(jié)約成本同時(shí)為量產(chǎn)提供了有利途徑。

  6天前，他們聯(lián)合服裝學(xué)院鄒奉元教授基于蠶絲界面多重共價(jià)反應(yīng)設(shè)計(jì)可穿戴傳感器件，并將成果刊發(fā)在《Nano Energy》之后的又一重大突破，實(shí)現(xiàn)了蠶絲纖維仿毛結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和規(guī)模化生產(chǎn)的嘗試，進(jìn)一步擦亮我校的絲綢特色！上述工作獲國(guó)家基金面上項(xiàng)目、省杰青、省基金重點(diǎn)項(xiàng)目、學(xué)校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目資助

  論文鏈接：

  https://doi.org/10.1002/adfm.202305328；

  https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108723