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  7月25日，材料學科領域知名期刊Advanced Functional Materials在線刊發了浙江理工大學紡織科學與工程學院（國際絲綢學院）余厚詠教授團隊領銜完成，題為《Mass-producible 3D Hair Structure-editable Silk-Based Electronic Skin for Multi-Scenario Signal Monitoring and Emergency Alarming System》的研究成果，報道了團隊對柔性傳感材料設計的新突破。該文是紡織科學與工程學院（國際絲綢學院）今年1月來的第一篇AFM論文；碩士研究生葛丹第一作者，余厚詠教授為通訊作者，浙江理工大學為第一完成單位。

  隨著智能機器人、智能可穿戴設備和人機交互 (HMI) 領域的研究不斷推進，模仿人類皮膚的人造電子皮膚 (e-skins) 變得越來越重要，微觀結構工程電子皮膚（e-skin）有利于推進可穿戴電子產品、假肢和人機交互（HMI）。然而，傳統微觀結構技術對電子皮膚的調控復雜且昂貴，工藝復雜難以實現大批量的生產，而且結構變形能力差導致檢測范圍小、靈敏度低。

  針對這一關鍵問題，余厚詠教授團隊受皮膚毛發和昆蟲毛刺結構的啟發，對以 3D 仿生結構策略制造的P-silk/RG電子皮膚進行系統研究；研究發現P-silk/RG受益于這種3維結構的可編輯性（長度、位置），P-silk/RG具有信號選擇性，長纖毛P-silk/RG表現出高靈敏度（響應微弱的信號氣流），而短纖毛P-silk/RG表現出寬壓力檢測范圍（0.5-200 g）和高循環穩定性（8000次壓縮）。因此，不同形式的P-silk/RG用于不同的場景（長纖毛用于監測呼吸和咳嗽，用于運動檢測和疾病診斷，短纖毛用于壓力敏感的莫爾斯電碼）。此外，P-silk/RG還具有良好的防水性、可編輯的導電點和易于設備集成等特點，為水下信息傳輸、多位編碼命令輸出、緊急運動事故和久坐預警等提供了基礎。令人驚訝的是，將這種結構與紡織編織相結合可以批量生產。該研究這種3D仿生結構策略賦予了電子皮膚可編輯性，提高了場景適應性，為大批量生產提供了途徑。

圖1.人體皮膚和毛發的感覺機制示意圖。仿生 P-silk/RG 電子皮膚的結構。電子皮膚的整體構成包括導電纖毛（P-silk）和底層柔性薄膜（RG薄膜）。導電纖毛P-silk作為主要傳感單元，纖毛之間碰撞接觸的變化帶來信號變化。柔性RG薄膜作為連接基板，賦予電子皮膚一定的形變靈活性。

圖2，P-silk/RG電子皮膚的不同部位的基礎表征

  P-silk/RG兼顧了上層P-silk纖毛的靈敏性和易編輯的特點，和下層RG的柔韌靈活性。

圖3，探究了不同長度纖毛的P-silk/RG的不同性能

  纖維具有一定的柔韌性，長纖維由于其柔軟易變形，因此能捕獲微弱氣流信號，在氣流的作用下，形成纖維分散點，導致導電網絡變松散，電阻增大，在氣流停止時，P-silk由于具有一定的韌性，會回復，填充分散點，從而導電網絡變緊密，電阻回復變小。

  纖維越短剛性越強，纖維發生變形更困難，氣流對難以改變短纖維的形態從而減少了纖維導電網絡的改變，因此，電阻變化幾乎可以忽略。然而短纖維P-silk/RG電子皮膚具有更高的按壓信號的穩定性（Figure 3i），這是由于纖維變短，纖維的受壓回復性越高、糾纏減少，在受壓之后，可以更靈敏的恢復纖維形態，故而響應穩定性提高。

圖4，長纖毛P-silk/RG可適用于人體呼吸監測

圖5，短纖毛P-silk/RG適用于多場景應用并易于器件集成

  P-silk的優異變形能力可以賦予表面形貌的自適應彎曲行為，而RG薄膜的柔韌性使其具有柔性。通過P-silk/RG電子皮膚的可編輯性（P-silk的長度、種植位置），可以觀察到不同的信號響應和信號選擇。長纖毛氣流對呼吸和咳嗽感應的響應可用于運動和呼吸診斷的預警和狀態監測，這可以通過在口罩上和鼻子下粘貼P-silk/RG電子皮膚來實現。短纖毛電子皮膚還可用作高性能壓力傳感器，具有寬壓力檢測范圍，可輸出多位編碼命令和智能坐墊。長、短P-silk/RG的組合可以將氣流（微弱）和壓力（大變形）信號的監測集成在同一個電子皮膚上，可應用于復雜情況（洞穴）的情況監測和信號輸出。此外，P-silk/RG電子皮膚具有良好的水下穩定性，可以通過莫爾斯電碼通信實現水下信息傳輸。并且電子皮膚可以通過與蜂鳴器連接構成早期報警裝置。重要的是通過織物結構設計，與紡織面料基材相結合，可以實現電子皮膚的大批量的生產�？傊@種簡單的3D仿生結構策略賦予了電子皮膚具有可編輯性，降低了制作難度，提高了場景適應性，節約成本同時為量產提供了有利途徑。

  6天前，他們聯合服裝學院鄒奉元教授基于蠶絲界面多重共價反應設計可穿戴傳感器件，并將成果刊發在《Nano Energy》之后的又一重大突破，實現了蠶絲纖維仿毛結構的設計和規�；a的嘗試，進一步擦亮我校的絲綢特色！上述工作獲國家基金面上項目、省杰青、省基金重點項目、學�；究蒲袠I務費等項目資助

  論文鏈接：

  https://doi.org/10.1002/adfm.202305328；

  https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108723