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  隨著人工智能與物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，柔性電子在健康監(jiān)測、人機(jī)交互及智能機(jī)器人等方面受到了廣泛關(guān)注。目前開發(fā)的柔性應(yīng)變傳感材料通常情況下具有較為單一的觸覺傳感特性。發(fā)展一種具有良好傳感功能、可靠的供電能力及可調(diào)控光學(xué)特性等多功能集成的交互式柔性傳感材料具有重要意義。

  近日，鄭州大學(xué)申長雨院士、劉春太教授團(tuán)隊(duì)代坤教授與中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所潘曹峰研究員合作在柔性靜電紡絲聚合物膜中引入發(fā)光材料制備了柔性發(fā)光膜，如圖1，后在其表面基于碳納米管（CNT）和MXene協(xié)同構(gòu)筑導(dǎo)電層，通過引入仿生微裂紋結(jié)構(gòu)，大幅地提高了柔性傳感材料的應(yīng)變傳感性能；同時(shí)將應(yīng)變傳感與光學(xué)特性相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了材料在可視化傳感領(lǐng)域的潛在應(yīng)用；此外，該電子皮膚具有良好的供電能力，在自供能觸覺傳感方面也展示出良好的應(yīng)用前景。

圖1. 柔性多功能光-電傳感材料（SPMSS）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2. 柔性多功能光-電傳感材料（SPMSS）的應(yīng)變傳感性能及敏感機(jī)制

  如圖2，得益于仿生微裂紋結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，柔性多功能光-電傳感材料在拉伸中表現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)變傳感性能，包括超高的靈敏度（最大靈敏度GF為3.92×10⁷），較快的響應(yīng)時(shí)間（5 ms），超低的應(yīng)變檢測限（0.001%應(yīng)變）和良好的耐久性（45000次拉伸/回復(fù)循環(huán)測試）及較寬的應(yīng)變響應(yīng)范圍（0-65%）。

圖3. 柔性多功能光-電傳感材料的可調(diào)光學(xué)特性

  如圖3，基于熒光電紡纖維膜的柔性和光學(xué)特性，MXene/CNT導(dǎo)電層優(yōu)異的紫外屏蔽能力以及獨(dú)特的應(yīng)變依賴的微裂紋結(jié)構(gòu)，材料在拉伸和回復(fù)的過程中表現(xiàn)出快速可逆的力致發(fā)光特性。通過熒光光譜定量地研究了材料在不同拉伸過程中的力致發(fā)光性能，在熒光強(qiáng)度/傳感性能-拉伸應(yīng)變之間構(gòu)建了對(duì)應(yīng)關(guān)系，為可視化傳感的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖4. 柔性多功能光-電傳感材料的TENG性能

  如圖4，由于絕緣的靜電紡絲熒光纖維膜具有較強(qiáng)的摩擦電正性和良好柔韌性，MXene/CNT協(xié)同導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出優(yōu)異的電子傳輸能力，這使得雙電極模式的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）展示出優(yōu)異的摩擦電輸出性能，包括開路電壓（V_OC=540 V）、短路電流（I_SC=42 μA）、短路電荷（Q_SC=317 nC）和較高的能量功率密度（7.42 W/m²），以及良好的充電-供電能力（驅(qū)動(dòng)微型電子設(shè)備）。

圖5. 柔性多功能光-電傳感材料在可視化傳感、健康監(jiān)測和自供電傳感中的應(yīng)用

  如圖5，材料在可穿戴領(lǐng)域展示出廣泛的應(yīng)用前景，不僅可以準(zhǔn)確地監(jiān)測人體不同部位的脈搏，還可以從已得的脈搏信號(hào)中獲取并分析生理參數(shù)對(duì)人體進(jìn)行健康監(jiān)測及評(píng)估。此外，電子皮膚通過明顯的熒光分布以及同步且準(zhǔn)確的彎曲傳感行為，可以清晰地分辨出手指的彎曲角度及不同手勢，實(shí)現(xiàn)其在可視化傳感方面的應(yīng)用。單電極模式的TENG（S-TENG）在0-5 kPa的小壓力范圍內(nèi)具有較高的靈敏度（3.443 mV Pa^-1），可以有效收集生物機(jī)械能和感知觸覺刺激。通過集成多個(gè)S-TENG傳感單元制備S-TENG傳感陣列，成功地將手指觸摸的軌跡映射在二維區(qū)域，實(shí)現(xiàn)其在自供能傳感方面的應(yīng)用。

  這一研究成果表明基于高分子基體的加工及仿生結(jié)構(gòu)的構(gòu)建可有效提升柔性傳感材料的敏感性能。材料實(shí)現(xiàn)的應(yīng)變傳感、可視化傳感及自供能傳感的有效結(jié)合為新一代交互式多功能柔性電子的制備其在可穿戴領(lǐng)域的多功能應(yīng)用提供了新思路。

  相關(guān)研究以“Bioinspired Multifunctional Photonic-Electronic Smart Skin for Ultrasensitive Health Monitoring, for Visual and Self-Powered Sensing”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。鄭州大學(xué)為第一作者單位，碩士研究生趙祎為論文第一作者，代坤教授、劉春太教授和中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所潘曹峰研究員為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金-河南聯(lián)合基金、河南省優(yōu)秀青年科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

  全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202102332