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韓國延世大學Cheolmin Park院士團隊《Device》：一種可降解的具有雙模觸覺感知的蠶絲基自供能皮膚

2024-10-25 來源：高分子科技

人體皮膚的慢適應（SA）和快適應（FA）機械感受器能夠對外界各種頻率的機械刺激做出靈敏響應，形成觸覺感知。為了精確模擬和重構皮膚的觸覺功能，電子皮膚需要同時模擬SA和FA機械感受器的功能以感知靜態壓力和動態振動。通常，雙模電子皮膚或仿生機械感受器包含兩種類型的傳感器，一種為基于摩擦電/壓電效應的振動傳感器，另一種為基于壓阻或電容變化的壓力傳感器。近年來，隨著觸覺電子皮膚的功能和復雜度不斷提高，器件本身的不可回收性，高能耗，對人體潛在的毒性，高加工成本等問題隨之出現。因此，開發基于天然蛋白質材料的雙模自供能電子皮膚為解決上述問題提供了有效路徑。

近日，延世大學Cheolmin Park院士課題組報道了一種基于絲素蛋白-植酸-甘油復合膜（SF-PA-G）的雙模自供能電子皮膚（EG Skin）。如圖1所示。該EG Skin在SF-PA-G膜的基礎上集成了濕氣發電機（MEG）和摩擦發電機（TENG）兩種能源收集器，能夠將外界的濕氣和機械刺激轉化為電能。且SF-PA-G膜在蛋白酶溶液中可以實現降解。進一步地，MEG和TENG可以分別用來模擬皮膚的SA和FA感受器實現對外界各種頻率的機械刺激的感知。圖2介紹了基于SF-PA-G膜的MEG發電性能輸出。在高濕度下（85% RH），單個MEG可實現1V電壓和110 μA/cm^-2電流密度的連續輸出，且能夠通過串并聯進一步提高輸出。圖3解釋了該MEG基于濕氣誘導離子梯度發電的工作機理。圖4展示了由SF-PA-G膜和PFA膜構建的接觸分離型TENG器件的性能輸出，以及TENG與MEG的整合策略。MEG和TENG的整合可以實現互補的電壓電流輸出（22V和18μA），最高實現8.4 μW/cm^-2的功率密度輸出，且整合后功率密度在不同濕度下能保證穩定輸出。圖5展示了MEG和TENG分別作為壓力傳感器和振動傳感器的工作原理以及傳感性能，并進一步探究了EG Skin不同頻率機械刺激下MEG和TENG的耦合響應關系（圖6）。在實際應用方面，MEG和TENG的自供電信號可以用來模擬防偽型的摩斯碼，以及可以用來驅動人工突觸器件（圖7）。

圖1. EG Skin的設計示意圖和材料表征

圖2. SF-PA-G的MEG性能表征

圖3. SF-PA-G MEG的工作原理

圖4. 基于TENG的動態能量收集性能以及MEG+TENG整合后的雙模能量收集性能

圖5. EG skin的觸覺傳感工作機制以及傳感性能

圖6. MEG+TENG的耦合作用分析

圖7. EG skin的實際應用展示

該工作以“A biodegradable silk-based energy-generating skin with dual-mode tactile perception”為題目發表在Cell姊妹刊《Device》上，文章第一作者是延世大學新材料工程系在讀博士生李勝優，趙凱瑩博士，和研究教授昝廣濤博士。通訊作者為Cheolmin Park院士。該研究得到韓國國家自然科學基金的支持。

原文鏈接：https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(24)00483-6

PI簡介：Cheolmin Park 教授，韓國科學技術院院士，韓國工程院院士，延世大學（QS 56）Underwood杰出教授。目前擔任Director of BK21 Education and Research Division for Futuristic Human-centric Materials, Director of Center for Artificial Synesthesia Materials Discovery，以及Board of Directors in Materials Research Society (MRS)。他于1992年和1995年在首爾國立大學獲得學士和碩士學位， 2001年在麻省理工學院獲得博士學位，2001-2022年，在哈佛大學擔任博士后研究員。2002年9月起，在延世大學成立Nanopolymer課題組，研究方向涉及鐵電聚合物，自組裝嵌段共聚物，電致發光材料，鈣鈦礦以及低維納米材料，并探索其在柔性傳感，發電和交互顯示器件的廣泛應用。迄今已在Nature materials, Nature communications, Science advance, Advanced materials等期刊發表270多篇SCI論文。

課題組網站：https://yonseinpl.wixsite.com/nanopolymer

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（責任編輯：xu）

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