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  皮膚作為人體面積最大的器官，可以感知各種機(jī)械刺激，例如觸摸、壓力、震動(dòng)等，其工作機(jī)制是人體皮膚的機(jī)械性刺激感受器（Mechanoreceptor）在受到外界機(jī)械刺激時(shí)，其細(xì)胞膜電位（Membrane Potential）隨之發(fā)生變化，即機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為生理電信號(hào)，隨后通過神經(jīng)傳導(dǎo)到達(dá)大腦，形成一定的反饋和應(yīng)激。這類通過細(xì)胞膜電位變化來(lái)感知外界機(jī)械刺激的傳感特性，具有高效、敏感、耗能極低的特點(diǎn)，因此，皮膚能夠敏感地感知外部刺激，并可以通過生理電信號(hào)與機(jī)械動(dòng)作的反饋，進(jìn)行自我保護(hù)。模仿人體皮膚的這種感知行為，設(shè)計(jì)構(gòu)建傳感器件，在可穿戴智能設(shè)備、人工電子皮膚以及人機(jī)交互系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用具有重要意義。

  近日，四川大學(xué)高分子研究所、高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室盧燦輝教授團(tuán)隊(duì)、美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Ana Arias教授團(tuán)隊(duì)通過模仿人體皮膚感知器官的傳感行為，設(shè)計(jì)了一類基于電位式力學(xué)傳感機(jī)制、構(gòu)筑了具有獨(dú)特傳感特性的電子皮膚，相關(guān)成果以“A Potentiometric Mechanotransduction Mechanism for Novel Electronic Skins”為題，發(fā)表在《Science Advances》上（Science Advances,  24 Jul 2020:Vol. 6, no. 30, eaba1062，DOI: 10.1126/sciadv.aba1062）。論文第一作者為吳曉東博士，四川大學(xué)盧燦輝教授和加州大學(xué)伯克利分校Ana Arias教授為共同通訊作者。

  人體皮膚感知器官在受到機(jī)械刺激時(shí)，其膜電位會(huì)發(fā)生變化（圖1A-C）。為了模仿這種生理傳感行為，該研究采用兩種電極材料（普魯士藍(lán)/碳材料和銀/氯化銀材料）和聚乙烯醇/氯化鈉/甘油/水組成復(fù)合材料作為電解質(zhì)，形成電勢(shì)差；然后通過調(diào)整復(fù)合電解質(zhì)的組成來(lái)調(diào)節(jié)本征阻抗，并在復(fù)合電解質(zhì)表面構(gòu)筑三維微觀結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)電極/電解質(zhì)界面性質(zhì)（圖2E-H），巧妙地實(shí)現(xiàn)了將外界機(jī)械刺激產(chǎn)生的變化，轉(zhuǎn)化為兩個(gè)電極材料之間電勢(shì)差輸出的變化（圖1D-F），為通過模擬細(xì)胞膜電位變化，靈敏感知外界機(jī)械刺激的皮膚觸感機(jī)制，研制具有電位-力學(xué)傳感特性的電子皮膚奠定基礎(chǔ)。

圖1.電位式力學(xué)傳感機(jī)制的設(shè)計(jì)原理和思路

  作者設(shè)計(jì)并制作了三明治式和并列式兩種構(gòu)型的電極器件（圖2A-C），其中并列式電極結(jié)構(gòu)更緊湊，工藝更便捷，可通過溶液加工方法，大規(guī)模、高質(zhì)量制備傳感器件（圖2D）。本研究研制的電位式力學(xué)傳感器件對(duì)機(jī)械刺激具有良好的檢測(cè)能力，既可以檢測(cè)靜態(tài)及緩慢變化的機(jī)械刺激（圖3A，D），也可以用于監(jiān)測(cè)低頻動(dòng)態(tài)的力學(xué)刺激（圖3E），具有優(yōu)異的可調(diào)性（圖3B）、快速的響應(yīng)/恢復(fù)速度（圖3C）和良好的循環(huán)穩(wěn)定性（圖3F）。基于本研究提出的新型電位式力學(xué)傳感機(jī)制，設(shè)計(jì)并制作了多種獨(dú)特性能的傳感器件，如可拉伸但應(yīng)變不敏感的力學(xué)傳感器（圖4）、“單電極模式”電子皮膚（圖5）等。

圖2. 電位式力學(xué)傳感器件的構(gòu)型與觸感特性

圖3. 電位式力學(xué)傳感器件的性能

  大多數(shù)柔性傳感器件在發(fā)生形變時(shí)，其本征電阻將發(fā)生顯著變化，將嚴(yán)重干擾其傳感行為。而本研究設(shè)計(jì)的電位式傳感器件中，通過植入內(nèi)置電阻（圖4A），保證了在電勢(shì)差測(cè)量過程中，傳感器件本身電阻在應(yīng)變下的相對(duì)變化非常小，很好解決了傳統(tǒng)柔性傳感器件形變時(shí)本征電阻變化對(duì)其傳感性能影響大的難題。本研究將可拉伸導(dǎo)體與所研制的電位式傳感器相連接（圖4B），結(jié)果表明該力學(xué)傳感器件具有良好的可拉伸性（圖4C，達(dá)50%），在不同應(yīng)變下的力學(xué)響應(yīng)行為基本不變，具有優(yōu)異的應(yīng)變不敏感特性（圖4D，F(xiàn)，G），完美實(shí)現(xiàn)了將外界壓力與器件應(yīng)變的去耦合，本文關(guān)于傳感器設(shè)計(jì)思路和制作方法對(duì)高性能、高穩(wěn)定可拉伸電位式力學(xué)傳感器件的發(fā)展具有理論意義和借鑒價(jià)值。

圖4. 利用電位式傳感機(jī)理構(gòu)建的“可拉伸、應(yīng)變不敏感力學(xué)傳感器”性能

  傳統(tǒng)的電子皮膚的每個(gè)傳感單元都是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的電極構(gòu)成（雙電極模式），大量的電極和連接線陣列的存在限制了單位面積（體積）電子皮膚的傳感元的數(shù)量和密度（圖5A）；采用“十字交叉”的電極模式可大幅度減少電極以及連接線數(shù)量（圖5B），但是，這種模式傳感元只能逐一操作，難以獲得高采樣頻率的傳感器件。針對(duì)上述問題，作者創(chuàng)新性地提出利用電位式傳感機(jī)理來(lái)構(gòu)筑“單電極模式”的電子皮膚（圖5C）。具體工作機(jī)理是：在電勢(shì)差測(cè)量過程中，只需要使用一個(gè)電極作為共用的參比電極，然后測(cè)量其它傳感電極相對(duì)該參比電極的電勢(shì)差，在電勢(shì)差測(cè)量過程中幾乎沒有電流通過電路系統(tǒng)，因此所有的傳感電極可以同時(shí)工作，而不會(huì)相互干擾。該種“單電極模式”電子皮膚可大幅度減少電極和連接線數(shù)量，同時(shí)簡(jiǎn)化了連接線的排布方式，大幅度提高了電子皮膚的傳感元數(shù)量及密度；更重要的是，系統(tǒng)中所有傳感電極（傳感元）可以同時(shí)工作，極大提高了電子皮膚的采樣頻率。本研究開發(fā)的電位式機(jī)械傳感器件可用于應(yīng)力、位置、輪廓的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（圖5D-H），拓展了高性能人工電子皮膚的研究思路，易于實(shí)用化，應(yīng)用前景廣闊。

圖5. 基于電位式傳感機(jī)理構(gòu)筑“單電極模式”電子皮膚及傳感性能

  原文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/30/eaba1062

第一作者吳曉東博士簡(jiǎn)介：

  第一作者吳曉東博士（2019年博士研究生畢業(yè)于四川大學(xué)高分子研究所、高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，導(dǎo)師為盧燦輝教授），目前為加州大學(xué)伯克利分校博士后。吳曉東博士在研究生學(xué)習(xí)期間主要圍繞可穿戴智能器件和人工電子皮膚的仿生設(shè)計(jì)、規(guī)模化制備及應(yīng)用開展系列研究工作，如結(jié)合篩網(wǎng)模板法和電極打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)高性能壓力傳感器件的大面積規(guī)模化制備（Adv. Electron. Mater. 2020, 6, 1901310）；通過模仿蜘蛛感知器官的微裂紋結(jié)構(gòu)開發(fā)了高靈敏、寬量程的壓力傳感器件（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 6246）；通過獨(dú)特導(dǎo)電微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多種應(yīng)變傳感器件的制備（ACS AMI 2017, 9, 23007; ACS AMI 2016, 8, 9936.）等。以第一作者身份在Sci. Adv.，Adv. Funct. Mater.，Adv. Electron. Mater.，JMCA（2篇），ACS AMI（4篇）等知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表研究論文15篇，其中高被引SCI論文3篇。

通訊作者之一盧燦輝教授簡(jiǎn)介

  盧燦輝，高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（四川大學(xué)）、四川大學(xué)高分子研究所教授、博士生導(dǎo)師，四川省學(xué)術(shù)與技術(shù)帶頭人，四川省有突出貢獻(xiàn)優(yōu)秀專家，兼任中國(guó)塑料加工工業(yè)協(xié)會(huì)專家委員會(huì)副秘書長(zhǎng)、四川省輪胎翻新與利用協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)。圍繞 “新材料”和“難再生廢棄高分子材料高效、高質(zhì)、高值回收與再制造”等國(guó)家重大需求開展研究，主要開展廢棄橡膠（包括特種橡膠）及交聯(lián)型廢棄高分子材料的解交聯(lián)再生利用及再制造技術(shù)與裝備開發(fā)，圍繞可再生資源開展纖維素/甲殼素的微納米加工及其與二維材料的宏觀組裝，重點(diǎn)研究其在柔性傳感、納米發(fā)電、電化學(xué)儲(chǔ)能器件的設(shè)計(jì)、構(gòu)建及其在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用，相關(guān)成果發(fā)表在ACS Nano, Science Advances，Advanced Materials, Energy Storage Materials, Angew Chem Int Ed, Advanced Functional Materials等期刊，論文得到廣泛引用和正面評(píng)價(jià)。近年來(lái)在聚烯烴高填充無(wú)機(jī)粉體復(fù)合材料、廢舊輪胎橡膠和特種橡膠高值化利用新技術(shù)和新裝備、納米纖維素制備和功能材料等技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用取得突出成績(jī)，其中15項(xiàng)研究成果實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，取得重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。研究成果曾榮獲“國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)”二等獎(jiǎng)、“教育部科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)”一等獎(jiǎng)及中國(guó)輕工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、中國(guó)專利金獎(jiǎng)和其他省部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)5項(xiàng)。