用于人體動(dòng)作捕捉和壓力映射的可拉伸電子皮膚

近年來(lái)，柔性可穿戴電子產(chǎn)品因其在健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和人機(jī)界面等領(lǐng)域的應(yīng)用前景而備受關(guān)注。壓力傳感器作為一種傳統(tǒng)的換能器，在過(guò)去的幾十年里已經(jīng)得到了深入的研究。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和原理，壓力傳感器主要分為壓阻式、壓電式和電容式三大類。其中，壓阻式壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻信號(hào)，具有成本低、靈敏度高、信號(hào)采集方便和傳感范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因此已有廣泛研究和報(bào)道。此外，通過(guò)與柔性襯底和先進(jìn)功能材料的集成，壓阻式壓力傳感器在電子皮膚（E-skin）領(lǐng)域占有重要地位。

柔性襯底、導(dǎo)電電極和活性傳感材料是制造可穿戴壓阻式壓力傳感器的關(guān)鍵。聚二甲基硅氧烷（PDMS），又稱有機(jī)硅，是應(yīng)用最廣泛的柔性襯底之一。通過(guò)與可拉伸蛇形電極集成，硅基柔性電子器件具有較高的柔韌性和可拉伸性，適用于可穿戴壓阻式壓力傳感器。MXene是于2011年首次得到研究的一類由層狀過(guò)渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物構(gòu)成的新型二維材料。由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性、層狀結(jié)構(gòu)和可調(diào)諧的表面性質(zhì)，MXenes已經(jīng)被應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如儲(chǔ)能、光電器件和電致變色器件等。然而，作為二維材料，原始MXenes由于其易于重新堆疊和橫向尺寸小的缺點(diǎn)，不適合在柔性電子中應(yīng)用。為了解決這些限制，引入了基于Mxenes的復(fù)合材料。通過(guò)將MXenes與其它材料組裝在一起，可以將二者優(yōu)異的性能結(jié)合起來(lái)，并彌補(bǔ)彼此的缺點(diǎn)。因此，基于Mxenes的復(fù)合材料是具有前景的制造可穿戴電子產(chǎn)品的活性傳感材料。

石墨烯是一種含有單層碳原子并且呈六邊形晶格結(jié)構(gòu)的二維材料，自首次通過(guò)石墨的反復(fù)剝落而機(jī)械剝離以來(lái)，已經(jīng)被廣泛研究。石墨烯在室溫下具有優(yōu)異的電子遷移率，并且具有高柔韌性和高導(dǎo)熱性以及良好的透明度。所有這些非凡的特性吸引了研究人員的注意力，并將其應(yīng)用于導(dǎo)電電子學(xué)、柔性場(chǎng)效應(yīng)晶體管、光電探測(cè)器和生物傳感器等領(lǐng)域。近期，石墨烯已經(jīng)被用于制造柔性傳感器。Ecoflex是一種具有低粘度、超柔韌性和優(yōu)異拉伸性能的橡膠，是制造電子皮膚的良好候選材料。通過(guò)將MXene、石墨烯和Ecoflex混合，可以得到MXene/石墨烯/Ecoflex（MX/Gr/EF）復(fù)合材料，該復(fù)合材料具有優(yōu)異的電學(xué)性能和高柔韌性。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，來(lái)自香港城市大學(xué)（City University of Hong Kong）的研究人員開發(fā)了一種皮膚貼合的電子皮膚（E-skin）。該電子皮膚采用柔性聚二甲基硅氧烷襯底，集成了蛇形銅（Cu）電極，并且采用MX/Gr/EF復(fù)合材料作為活性傳感材料，從而保證了傳感器的柔韌性和可拉伸性。相關(guān)研究成果以“Skin-Integrated, Stretchable Electronic Skin for Human Motion Capturing and Pressure Mapping”為題發(fā)表在Advanced Sensor Research期刊上。

圖1 輕薄柔韌的電子皮膚

該研究開發(fā)的電子皮膚不僅可以感知壓力信號(hào)，還可以感知應(yīng)變變化。此外，研究人員在132 kPa壓力和1 Hz頻率下對(duì)該電子皮膚進(jìn)行了循環(huán)測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使在132 kPa的壓力下連續(xù)擊打超過(guò)700次，該電子皮膚仍然完好無(wú)損，依舊可以工作。

圖2 該電子皮膚的電學(xué)性能

此外，該電子皮膚與人體皮膚相容性好，靈敏度高，并且能夠很好地附著在人體皮膚上。而且，只需將其固定在手背上，就可以檢測(cè)到手指的彎曲角度。同時(shí)，該電子皮膚可以感知細(xì)微的人體活動(dòng)，比如眨眼。

圖3 用于人體動(dòng)作捕捉的電子皮膚

最后，研究人員制作了一個(gè)4 × 4陣列電子皮膚來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力映射功能。如圖4A所示，該4 × 4陣列電子皮膚模擬了單個(gè)電子皮膚的結(jié)構(gòu)，其底部的聚二甲基硅氧烷襯底集成了蛇形陣列的銅電極，并且覆蓋了MX/Gr/EF復(fù)合材料作為傳感材料，最后封裝了一層薄薄的聚二甲基硅氧烷。該陣列式電子皮膚的尺寸為75 mm × 50 mm × 1 mm，由16個(gè)單元組成，每個(gè)單元有一個(gè)面積為5 mm × 5 mm的傳感區(qū)域，與單個(gè)電子皮膚具有的傳感面積相同。如圖4B所示，該陣列式電子皮膚可以很好地貼合在人體皮膚上，并且在拉伸、彎曲或扭轉(zhuǎn)下都表現(xiàn)出良好的柔韌性和拉伸性。此外，該陣列式電子皮膚可以用于壓力映射，如圖4C所示。研究人員用手指在陣列式電子皮膚上輕敲“CITYU”的圖案，結(jié)果顯示出0.33左右的電阻變化響應(yīng)率，這與人類手指輕敲單個(gè)電子皮膚時(shí)的響應(yīng)率一致，如圖4D ~ 4F所示。

圖4 4 × 4陣列電子皮膚

綜上所述，該研究制造了一種皮膚貼合的、可拉伸的壓阻式電子皮膚。該電子皮膚可以同時(shí)用于拉伸和壓力的傳感，并且具有廣泛的傳感范圍。通過(guò)將其配置在人體皮膚上，該電子皮膚不僅可以感知人類的動(dòng)作，例如觸摸、敲擊、擊打和手指彎曲等，還可以感知人類細(xì)微的動(dòng)作，如眨眼。此外，通過(guò)與陣列結(jié)構(gòu)集成，該電子皮膚還具有應(yīng)用于壓力映射領(lǐng)域的潛力。

審核編輯：劉清