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東華大學俞建勇院士、丁彬研究員《AFM》:全纖維結構智能電子皮膚

2019-12-21 08:51:47來源:高分子科學前沿 閱讀量:13703

  【塑料機械网 科技創新】近日,东华大学纺织科技創新中心俞建勇院士和丁彬研究员带领的纳米纤维研究团队在全纤维结构电子皮肤研究领域取得重要进展,相关成果以《具有高弹性和透气性的全纤维结构电子皮肤》(All-fiber structured electronic skin with high elasticity and breathability, DOI:10.1002/adfm.201908411)为题,发表于国际著名期刊《Advanced Functional Materials》上。东华大学系论文完成单位,该论文第一作者为纺织学院李召岭副教授,通讯作者为丁彬研究员。
 
圖1. 可呼吸可拉伸電子皮膚結構示意圖及各功能層形貌圖
 
  電子皮膚作爲一種新型可穿戴仿生觸覺傳感器,是一類能夠模仿人類皮膚保護、感知、調節等功能的人造柔性電子器件。電子皮膚關系到柔性機器人、醫療設備、人體假肢等載體的智能化和多功能化,受到衆多研究人員的廣泛關注。近年來,研究者依靠不同材料、器件結構或傳感原理,逐步開發出性能不斷優越、功能不斷豐富的電子皮膚。然而,由于制備方法和選用材料的限制,電子皮膚的力學響應性能和靈敏度還有待進一步提升,同時沒有徹底解決透氣性的問題,由此影響了使用者的生理體驗和熱濕舒適性。對于模擬人類皮膚,要求電子皮膚觸覺傳感器具有很好的柔性和彈性,能柔軟地貼合在人體皮膚表面,同時保持長期的機械穩定性,不至于因彎折而壞掉。纖維材料柔軟可變形,易于功能化改性,可以滿足可穿戴電子的發展需求,是制備柔性可呼吸壓力傳感器的理想材料。但大多数传感器中使用的电池不利于集成到可穿戴系统中,壓力傳感器的能耗仍然是可穿戴系统微型化和轻量化的重要挑战。因此,开发兼具优异柔韧性、力学响应性及透气性的自供能纤维基电子皮肤对于促进智能可穿戴领域的发展具有重要意义。
 
  針對上述問題,研究團隊利用靜電紡絲技術,基于摩擦起電和靜電感應效應,制備了一種全纖維結構的自供能電子皮膚。選用電負性高、機械性能好的PVDF纳米纤维作为感应层,同时克服了静电纺碳纳米纤维的脆性问题,开发了具有优异柔性和导电性的碳纳米纤维作为电极层,通过与高拉伸性和化学稳定性的PU纳米纤维基底层复合,得到具有高弹性和透气性的电子皮肤。研究表明该电子皮肤具有良好的传感性能,在0-180 kPa的压力传感区间内,传感灵敏度达到0.18 V kPa-1。组装成电子皮肤压力传感阵列时,在平面、曲面和人体上可以实现实时的高精度空间映射。全纤维结构电子皮肤不仅可以灵敏的感受外界压力变化和人体关节运动,并且作为电源使用可以驱动一些小型电子器件正常工作。当电子皮肤压力传感阵列拉伸形变至50%,依然保持稳定的压力响应性和机械耐久性。同时全纤维结构电子皮肤具备良好的透气性能,水蒸气透过率可以达到10.26 kg m-2 d-1。该工作将为智能电子皮肤的发展提高新思路,在未来智能机器人,交互式设备,人工假肢和运动障碍辅助等领域具有重要的应用前景。
 
圖2. 可呼吸可拉伸電子皮膚壓力傳感性能及應用展示
 
  相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.201908411)上,该研究工作得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海市青年科技启明星计划、东华大学励志计划等项目的大力资助。

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