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北京纳米能源所Nature子刊:可拉伸扩展的多功能集成电子皮肤

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北京纳米能源所Nature子刊:可拉伸扩展的多功能集成电子皮肤

时间:2018/1/23 17:29:44来源: 作者:
【引言】人体皮肤是一个活跃、非常敏感和高弹性的感觉器官,主要承担着保护身体、排汗、温度调节、感知冷热和压力等功能。人体躯体感觉系统能够通过皮肤中的触觉、温度、痛觉等感受器将外界环境刺激转化为电脉冲信号

【引言】

人体皮肤是一个活跃、非常敏感和高弹性的感觉器官,主要承担着保护身体、排汗、温度调节、感知冷热和压力等功能。人体躯体感觉系统能够通过皮肤中的触觉、温度、痛觉等感受器将外界环境刺激转化为电脉冲信号,经过神经通路传导至神经中枢,从而使皮肤获得触觉、痛觉等感觉功能。基于皮肤这种多功能生物模型,科学家们开展了一门新兴学科研究——触感电子学(俗称“电子皮肤”,Electronic skin, E-skin),用来模仿皮肤的感觉功能如触觉、温度感知等功能。目前,电子皮肤是在柔性或弹性基底上制作具备探测压力、温度或其他刺激的传感器及阵列,能够感知周围环境中的多种物理、化学、生物等信号,将有助于开发新型人机接口、智能机器人、仿生假肢等智能化系统。电子皮肤的重要发展趋势是:多功能化以及多重刺激同步监测。

【成果简介】

近日,来自中国科学院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员、王中林院士的研究团队在Nature子刊Nature Communications上发表题为“Skin-inspired highly stretchable and conformable matrix networks for multifunctional sensing”的文章。该文章报道了一种柔性可拉伸扩展的多功能集成传感器阵列,成功地将电子皮肤的探测能力扩展到7种,实现了温度、湿度、紫外光、磁、应变、压力和接近等多种外界刺激的实时同步监测。

【图文导读】

图一:皮肤启发的可拉伸扩展的多功能集成电子皮肤(SCMN)

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a. 由皮肤的结构和功能启发的概念示意图;

b. 具备可拉伸扩展功能的聚酰亚胺(PI)拉伸结构网络;

c. PI拉伸结构网络的SEM图;

d. SCMN的结构示意图;

e. SCMN的柔性、拉伸性和贴合性等图。

图二:PI拉伸结构的力学和电学性能

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a. 蜿蜒拉伸结构的力学和电学测试;

b. 蜿蜒拉伸结构在不同拉伸倍率的图片;

e. 蜿蜒拉伸结构的耐久性测试;

f. 蜿蜒拉伸结构的弯折性测试;

g. PI拉伸结构网络的面积扩张;

h. PI拉伸结构网络的扭曲图片。

图三:SCMN的多功能传感特性

3.jpg

a. 温度传感器的响应曲线;

b. 温度传感器阵列的空间温度探测成像图;

c. 应变传感器的响应曲线;

d. 应变传感器对不同应变的响应过程;

e. 湿度传感器的响应曲线;

f. 湿度传感器的阵列的空间湿度探测成像图;

g. 紫外光传感器的响应曲线;

h. 紫外光传感器对不同光强的响应过程;

i. 磁传感器的响应曲线;

j. 磁传感器探测由永磁体靠近/离开引起的磁场变化。

图四:压力和接近传感特性以及SCMN探测面积扩张

4.jpg

a. 压力传感器的响应曲线;

b. 压力传感器对微小压力的实时探测;

c. 压力传感器阵列的空间压力探测成像图;

d. 压力和接近探测的耦合过程;

e. 接近传感器的响应曲线;

f. 接近传感器阵列的空间接近探测成像图;

g. SCMN探测面积扩张对比图;

h. SCMN探测面积扩张前后的压力成像图。

图五:SCMN对多种刺激的实时同步监测

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a. SCMN对温度、压力和接近等刺激的实时监测;

b. SCMN对磁场、压力和接近等刺激的实时监测。

图六:定制化功能集成的智能假肢

6.jpg

a. 人抓取杯子过程中温度感知的概念图;

b. 智能假肢对杯子的抓取和释放;

c. 压力、温度传感器在假肢手指上的分布示意以及抓取1℃水温杯子时各手指部位的受力情况;

d. 智能假肢在抓取4种不同水温杯子时压力和温度响应曲线;

e. 智能假肢可以依据温度响应情况来判断杯中水温。

【小结】

通过微纳加工技术,制备出了大倍率(8倍及以上,可根据需要设计)的聚酰亚胺(PI)拉伸结构网络,其中包括许多传感器节点和蜿蜒拉伸结构。基于这种拉伸结构网络,多种传感器能够以二维分布式或三维叠层式结构进行多功能化集成,并且多种传感单元可独立工作而不互相影响,利用基底的可拉伸性能实现了电子皮肤的探测面积扩张,并为其进一步的功能扩展提供了极大便利。另外,还将这种电子皮肤用于制造了一种具有定制化功能集成的智能假肢,既赋予了假肢触觉功能,同时使假肢具备了温度感知的能力,这将有利于改善残疾患者的康复及生活条件。多功能集成电子皮肤不仅可以实时同步监测周边环境多种变量,同时还能用于人体健康监测等领域。它将作为一种智能终端,构建新型的“互动网”(Internet of ‘action’, IoA),改变我们与科技的交互方式,让我们的生活因科技变得更美好!


本文由中国科学院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰老师提供

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