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青島大學(xué)龍云澤教授課題組在電子皮膚領(lǐng)域取得重要進展
2018-09-13  來源:中國聚合物網(wǎng)
關(guān)鍵詞:靜電紡絲 電子皮膚

  近日,青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院龍云澤教授課題組在電子皮膚領(lǐng)域取得重要進展,相關(guān)成果以“Bionic Single-Electrode Electronic Skin Unit Based on Piezoelectric Nanogenerator”為題發(fā)表在國際納米領(lǐng)域的頂級期刊《ACS Nano》(Volume 12,pages 8588-8596,DOI: 10.1021/acsnano.8b04244),該期刊SCI影響因子為13.7。該文共同第一作者為博士后王曉雄和碩士生宋威志,青島大學(xué)物理學(xué)院為第一單位。

  隨著人工智能的快速發(fā)展,機器人的仿生研究成為熱點研究課題,特別是用于壓力、溫度傳感的電子皮膚。但是,對人類而言較為困難的數(shù)學(xué)邏輯等在人工智能領(lǐng)域較為容易實現(xiàn),簡單的觸覺、視覺等對人類而言非常簡單的感官知覺,在人工智能領(lǐng)域的實現(xiàn)則較為困難。因此本工作使用靜電紡絲高分子PVDF納米纖維的壓電、熱釋電機制集成觸覺和溫度傳感性能,實現(xiàn)仿生皮膚的基本功能。特別是通過合理設(shè)計雙電容的電勢對比,將復(fù)雜的傳感器陣列雙電極創(chuàng)新性地簡化為單電極器件,從而極大地簡化了電子皮膚的結(jié)構(gòu)。

  用手持式靜電紡絲制備的單電極電子皮膚表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,特別是在抗短路方面,由于只需一組電極,傳感單元本身避免了短路風(fēng)險。而進一步的研究表明,相鄰單元間的短路也不會導(dǎo)致傳感信號的失真,這是傳統(tǒng)雙電極構(gòu)型電子皮膚,特別是電阻型電子皮膚所沒有的特性。這一研究一方面設(shè)計了新型的仿生電子皮膚,另一方面則提出了一類新型元器件的設(shè)計構(gòu)想,基于這一構(gòu)想將可設(shè)計多種新型電子元件。

圖1.制作單電極電子皮膚。(a)制造工藝流程。(b)靜電紡絲過程中PVDF分子結(jié)構(gòu)的變化。(c)使用手持式靜電紡絲裝置制造電子皮膚的過程的照片。

圖2.兩種不同形式的電子皮膚的結(jié)構(gòu)和屬性。(a) 金電極上的電子皮膚的照片。 (b) PVDF膜的SEM圖像和納米纖維直徑分布圖。(C) 使用ITO電極的電子皮膚。(d) 具有ITO電極的e-皮膚的UV.vis吸收光譜。

圖3.單電極皮膚的工作機制。(a) 電子皮膚的結(jié)構(gòu)和原理。(b,c) 當(dāng)裝置施加沖擊和釋放應(yīng)變時,由于壓電效應(yīng)引起的電信號。(d,e) 應(yīng)用彎曲和不彎曲時的裝置,由于壓電效應(yīng)引起的電信號。(f,g) 由于加熱和冷卻時器件的熱電效應(yīng)引起的電信號。(h,i) 計算電偶極子變化前后的電位分布。

圖4.不同條件下電子皮膚的開路電壓信號:(a) 0.1 Hz以下的重復(fù)壓縮沖擊,(b) 相同的壓力下,不同的膜面積,(c) 具有相同的膜面積,壓力不同,(d) 在反復(fù)壓縮下沖擊60分鐘,(e) 0.8赫茲反復(fù)彎曲和不彎曲。(f) 在相同的對比溫度下施加相同的溫度。(g) 在不同的初始溫度下施加相同的溫度梯度。 (h) 不同條件下PVDF的I.V曲線溫度。

圖5.(a,b,c)手、腳跟和關(guān)節(jié)模仿拍桌子、走路、跑步和不同頻率的電子皮膚的照片彎曲和相應(yīng)的輸出電壓。(d) 模擬用帶有電子皮膚的手觸摸并移開熱水杯(約87°C)和相應(yīng)的輸出電壓。

  除了電子皮膚,該課題組還探索了靜電紡絲納米纖維在壓電-熱電納米發(fā)電機(Journal of Materials Chemistry A, 6(8), 3500-3509 (2018))、無線智能傳感器(Nanoscale, 2018, DOI: 10.1039/C8NR05292A)、藥物釋放與監(jiān)控(Chemical Engineering Journal,350,645-652 (2018);349, 554-561 (2018))、可監(jiān)控呼吸的納米纖維智能口罩(ACS Applied Materials and Interfaces, 10(23),19863-19870 (2018))、促進疤痕愈合的傷口敷料(ACS Applied Materials & Interfaces, 9(38), 32545-32553 (2017))、快速去除室內(nèi)PM2.5(Nanoscale, 9(12): 4154-4161 (2017))、水果保鮮膜(Nanoscale Research Letters, 13,239 (2018))等方面的應(yīng)用。

  此外,該課題組在研究功能材料(包括電紡納米纖維)的光學(xué)性能(Acta Materialia,152, 148-154 (2018);Optical Materials Express, 8(6), 1425-1434 (2018))、低溫電學(xué)和磁學(xué)性能(Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 467, 74-81 (2018);DOI: 10.1016/j.jmmm.2018.08.046;469(1), 8-12 (2019))等方面也取得較大進展。

  論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b04244

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