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鄭州大學《Mater. Horiz.》：基于真空熱壓成型的類蘑菇三維多級結構的電子皮膚

2023-10-05 來源：高分子科技

電子皮膚(e-skin)是未來可穿戴電子器件的重要組成部分之一，通過在其靈敏層制備微結構陣列可以提高其傳感性能。目前制備的微結構陣列通常情況下具有單一的結構使得電子皮膚難以平衡其靈敏度和壓力傳感范圍，并且大多數制備技術較為復雜，基體材料較為單一。為此，通過一種簡單高效的方法制備出常用熱塑性高分子微結構陣列并應用于高靈敏度和大壓力傳感范圍的電子皮膚具有重要意義。

常用熱塑性高分子材料具有價格低廉、易熔體成型加工等優點，熱壓是熱塑性高分子材料常用的成型方法之一，如果采用熱壓來制備熱塑性高分子材料微結構陣列，將有助于挖掘熱塑性高分子材料的功能潛力。為此，鄭州大學材料學院提出一種高效制備壓阻式電子皮膚的方法，如圖1，采用真空熱壓的方法在熱塑性聚氨酯（TPU）膜表面制備了類蘑菇三維多級結構并將其作為電子皮膚的靈敏層，基于微銑削技術制備的叉指電極作為電極層。有趣的是，該電子皮膚能夠通過獲取的生理參數實時精確地監測健康狀況。此外，它還可以實現手勢識別和感知壓力刺激的軌跡。

圖1. 類蘑菇三維多級結構/叉指電極電子皮膚的結構設計及應用

如圖2，具有類似于自然界中蘑菇的“菌柄-菌蓋-菌褶”三維多級結構的類蘑菇結構（直徑250 μm，間距200 μm）均勻地排布在在TPU膜表面。同時多壁碳管（MMTC）也均勻地分布在了具有類蘑菇三維多級結構的TPU膜表面。通過微銑削技術和刮涂銀漿的技術成功地制備了叉指電極（指電極寬度為250 μm，指電極間距為200 μm）。由于類蘑菇三維多級結構的尺寸與指間電極的尺寸完美的匹配，使得組裝的電子皮膚中類蘑菇結構和指電極凹槽之間形成“互鎖結構”。

圖2. 類蘑菇三維多級結構和叉指電極的表面形貌

如圖3和圖4，得益于電子皮膚中類蘑菇結構和指電極凹槽之間的“互鎖結構”，類蘑菇三維多級結構/叉指電極電子皮膚在壓縮中表現出優異的傳感性能，包括高的靈敏度（最大靈敏度為600 kPa^–1），寬的壓力傳感范圍（寬達150 kPa），較快的響應時間（20 ms），低的檢測限（5 Pa）和良好的耐久性（15000次壓縮/回復循環測試）。

圖3. 類蘑菇三維多級結構/叉指電極電子皮膚的傳感機理

圖4. 類蘑菇三維多級結構/叉指電極電子皮膚的傳感性能

如圖5，類蘑菇三維多級結構/叉指電極電子皮膚在可穿戴領域展示出廣泛的應用前景，不僅可以準確地監測人體不同部位的脈搏，還可以從已得的脈搏信號中獲取并分析生理參數對人體進行健康監測及評估。此外，電子皮膚通過集成多個傳感單元制備傳感陣列，成功地將手指觸摸的軌跡映射在二維區域，實現其在感知壓力刺激軌跡中的應用。

圖5. 該電子皮膚在健康監測和感知壓力刺激軌跡中的應用

如圖6，基于類蘑菇三維多級結構/叉指電極電子皮膚制備了智能手套，同時通過無線傳輸設備可以檢測到智能手套中每個手指彎曲的信號，進而可以無線地識別各種手勢。此外，對該電子皮膚進行簡單的封裝后貼在手指上，潛水員可以通過有節奏地按壓/釋放手指，發出“危險”的信息，提醒同伴，或發出“Help”和“SOS”的信息，尋求幫助。

圖6. 該電子皮膚在手勢識別和水下摩斯密碼識別中的應用

這一研究成果表明基于簡單的制備技術和巧妙的“互鎖結構”設計，以實現具有優異傳感性能的電子皮膚，該研究成果將為面向未來的智能可穿戴電子皮膚的設計提供了一種經濟、便捷的策略。

相關研究以“Mushroom-mimetic 3D hierarchical architecture-based e-skin with high sensitivity and wide sensing range for intelligent perception”為題發表在《Materials Horizons》上。鄭州大學為第一作者單位，博士研究生張亞杰為論文第一作者，鄭國強教授為通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金項目、高校科技創新團隊計劃項目的資助。

全文鏈接：https://doi.org/10.1039/d3mh00679d

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（責任編輯：xu）

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