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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:13795

  【塑料機械網 科技創新】近日,東華大學紡織科技創新中心俞建勇院士和丁彬研究員帶領的納米纖維研究團隊在全纖維結構電子皮膚研究領域取得重要進展,相關成果以《具有高彈性和透氣性的全纖維結構電子皮膚》(All-fiber structured electronic skin with high elasticity and breathability, DOI:10.1002/adfm.201908411)為題,發表于國際著名期刊《Advanced Functional Materials》上。東華大學系論文完成單位,該論文第一作者為紡織學院李召嶺副教授,通訊作者為丁彬研究員。
 
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
 
  電子皮膚作為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,受到眾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。但大多數傳感器中使用的電池不利于集成到可穿戴系統中,壓力傳感器的能耗仍然是可穿戴系統微型化和輕量化的重要挑戰。因此,開發兼具優異柔韌性、力學響應性及透氣性的自供能纖維基電子皮膚對于促進智能可穿戴領域的發展具有重要意義。
 
  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納米纖維作為感應層,同時克服了靜電紡碳納米纖維的脆性問題,開發了具有優異柔性和導電性的碳納米纖維作為電極層,通過與高拉伸性和化學穩定性的PU納米纖維基底層復合,得到具有高彈性和透氣性的電子皮膚。研究表明該電子皮膚具有良好的傳感性能,在0-180 kPa的壓力傳感區間內,傳感靈敏度達到0.18 V kPa-1。組裝成電子皮膚壓力傳感陣列時,在平面、曲面和人體上可以實現實時的高精度空間映射。全纖維結構電子皮膚不僅可以靈敏的感受外界壓力變化和人體關節運動,并且作為電源使用可以驅動一些小型電子器件正常工作。當電子皮膚壓力傳感陣列拉伸形變至50%,依然保持穩定的壓力響應性和機械耐久性。同時全纖維結構電子皮膚具備良好的透氣性能,水蒸氣透過率可以達到10.26 kg m-2 d-1。該工作將為智能電子皮膚的發展提高新思路,在未來智能機器人,交互式設備,人工假肢和運動障礙輔助等領域具有重要的應用前景。
 
圖2. 可呼吸可拉伸電子皮膚壓力傳感性能及應用展示
 
  相關論文在線發表在Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.201908411)上,該研究工作得到了國家自然科學基金、上海市自然科學基金、上海市青年科技啟明星計劃、東華大學勵志計劃等項目的大力資助。

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