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清华大学刘锴副教授、西安交通大学张磊教授《Adv. Funct. Mater.》:基于一种新机理的高性能柔性触觉传感器
2020-01-23  来源:高分子科技

  柔性触觉传感器不仅在诸如电子皮肤、可穿戴器件、仿生机器人和假肢、生物电子学界面等新兴领域具有巨大的应用价值,而且相关研究涉及电子和离子相互作用,电子器件和生物组织相互作用等的内在机制的深入揭示,并能够模拟、兼容生物组织内的重要活动,因此具有重要的研究意义和应用价值。

  目前绝大多数的高性能柔性触觉传感器都依赖于电子行为,主要机理有压阻式、电容式、压电式和摩擦电式。近日,清华大学刘锴副教授课题组西安交通大学张磊教授课题组基于对液体环境中生物复杂生化反应的传感过程的模仿,制备出负载银纳米颗粒的丙烯酸水凝胶,开发了一种具有非对称表面结构、基于化学反应和离子电流传导机理从而增强器件灵敏度的柔性触觉传感器(简称AISH—Asymmetric Ionic Sensing Hydrogel)。这种柔性触觉传感器在多项重要性能评价指标上表现优异,比如具有超高灵敏度(171 kPa-1)和超低检测限(0.075 Pa),以及长使用寿命(循环1500次以上)等,实现了该类基于化学反应和离子传导新机理的高性能器件的成功制备,并证明了其在生物电子学相关领域的实际应用价值。

图1. AISH柔性触觉传感器示意图及对凝胶的表征。

图2. AISH柔性触觉传感器的性能和其它主要柔性器件性能对比。

  该研究利用紫外光一步合成具有非对称表面、负载有银纳米颗粒的丙烯酸水凝胶复合物,在优化的试剂配比下获得了高压敏响应的凝胶器件。这类器件自身具有较大的电势差,可用来对初始电流进行调控;在受到压力作用时,凝胶表面的铜箔和凝胶内的银离子可发生强烈的化学置换反应,从而增强离子传导电流,使器件具有高度的灵敏性。该实验工作中利用了常见的化学置换反应,证明了这种新机理的普适性。在应用展示部分,这种凝胶器件可以检测压强低至0.075Pa的碳纳米管薄膜,可精准地记录脉搏信号和声压信号,检测水面的波动等。

图3. AISH柔性触觉传感器的应用展示。

  相关结果发表于国际著名学术刊物《Advanced Functional Materials》杂志上,刘锴副教授张磊教授为共同通讯作者,第一作者为在清华大学联合培养的西安交通大学博士生丁翰元。研究工作得到了国家自然科学基金、教育部霍英东基金等项目的资助。

  论文链接:https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201909616

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(责任编辑:xu)
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