動靜皆宜、超低功耗電子皮膚的單電極電位機械換能器

動靜皆宜、超低功耗電子皮膚的單電極電位機械換能器

軟電子皮膚（e-skin）可用於可穿戴計算和人機互動等應用程式的開發中。為了模擬人類皮膚的感覺功能，電子皮膚使用機械感受器-將機械刺激轉換為電壓信號的設備。然而，基於電容效應和電阻效應的常規機械感受器具有高功耗並且對應變敏感。儘管基於壓電和摩擦電的機械感受器可以自供電，但它們對動態壓力有選擇性，並且無法監控靜壓力。

加利福尼亞大學伯克利分校電氣工程和計算機科學系和四川大學高分子研究所高分子材料工程國家重點實驗室Canhui Lu，Ana Arias及其同事現在已經開發出機械感受器，該感受器依賴於兩個電極之間的電位差，並且可以感知靜態和緩慢變化的刺激。

研究人員-基於加利福尼亞大學伯克利分校和四川大學-利用基於溶液的處理方法和市售材料製造了電位計設備，該設備模仿了皮膚的感覺系統。一個電極由普魯士藍修飾的石墨碳製成，另一個由銀/氯化銀製成，並將它們與含氯化鈉的電解質接觸。當施加機械刺激時，電解質/電極界面的變化可以調節兩個電極之間測得的電勢差。所產生的設備的功耗小於1 nW，比傳統的機械感受器設備低七個數量級。當承受高達50％的應變時，它們的性能也保持穩定。

人體皮膚通過感知皮膚感覺細胞膜電位的變化來感知外部機械刺激。許多科學家試圖基於主動和被動感應機制來重建皮膚功能並開發電子皮膚（電子皮膚）。受皮膚感覺行為的啟發，作者研究了材料和電子設備，這些材料和電子設備使作者可以將機械刺激編碼為兩個電極之間測得的電位差，從而產生電位機械傳遞機制。作者在此介紹一種通過全溶液處理方法製造的電位機械換能器。這種機械換能器顯示出超低功耗，高度可調的傳感特性，並具有檢測靜態和低頻動態機械刺激的能力。此外，作者開發了兩類新穎的傳感設備，包括應變不敏感傳感器和單電極模式電子皮膚，這對於使用現有方法來實現具有挑戰性。這種機械轉導機制通過提供大大改善的人機界面，對機器人技術，修復技術和醫療保健產生了廣泛影響。

作為人體最大的器官，皮膚在調節作者與周圍環境的日常相互作用中起著至關重要的作用。有傳感器的一個顯著的網絡，人的皮膚可以感知外部機械刺激（例如，觸摸，壓力，應變，振動），並將它們編碼成生理信號，然後由大腦解釋，以形成感覺反饋。要重新人體皮膚的特性，人工電子皮膚（E-skin）已經在機器人，假肢，醫療保健以及物聯網應用展現了良好的前景。在過去的十年中，該領域取得了顯著進步，尤其是結合了諸如高靈敏度，低檢測限，生物相容性，自我修復能力和良好的拉伸性。

展望這些進步，大部分是基於結構工程（例如，金字塔形，微裂紋，起皺，蛇形結構，kirigami結構）和材料（例如，納米粒子，納米線，二維材料，導電聚合物，生物相容性和自我修復材料）。除了這兩個方面，傳感機制的創新是製造具有新穎特性的電子皮膚的必不可少的方法。儘管如此，超越現有的感測機構（例如，電阻，電容，電晶體基於光學的，壓電的摩擦電，並piezoionic），感測機構創新很少報導。

在皮膚的感覺系統中，皮膚機械感受器使作者能夠通過膜電位的變化來感知外部機械刺激。靜止時，皮膚感覺細胞的內部通常相對於外部帶更多的負電荷（。當外部刺激被加上感覺細胞，機械門控離子通道將被打開，從而允許遷移或穿過細胞膜。此過程使膜電勢大幅上升。隨著機械刺激的釋放，膜電位通過將特定離子泵回細胞膜而回到初始水平。這種通過膜電位變化的機械轉導機制提供了一種高效且節能的方式來感知環境刺激。

圖1 受皮膚感覺行為啟發的電位機械傳遞機制。

（A）天然皮膚感覺系統中皮膚機械感受器的插圖，包括默克爾細胞（i），魯菲尼末梢（ii），帕西尼亞小體（iii）和邁斯納小體（iv）。（B）示意圖顯示了跨細胞膜的不對稱離子分布，在感覺細胞的內部和外部之間形成了電位差。（C）描繪了在感覺細胞上施加機械刺激（去極化階段）並釋放機械刺激（復極化階段）的同時膜電位變化的圖。（D）電位機械傳遞機制的概念圖。普魯士藍和Ag / AgCl中的兩個可逆氧化還原反應和用於產生電勢差。通過電解質的結構和成分操縱，可以通過施加力逐漸改變兩個電極之間產生的電勢差。因此，外部機械刺激可以直接耦合到電壓信號輸出，就像皮膚感覺細胞將機械刺激耦合到膜電位變化一樣。（E）電位傳感器在受到機械刺激時的典型響應，類似於皮膚感覺細胞產生的生理信號。（F）電位傳感器在受到不同大小的靜態和動態機械刺激時的響應信號。

在提出的電位機械換能機制的基礎上，作者演示了兩種類型的柔性和可穿戴式傳感設備，這些設備的性能難以通過常規傳感機制實現。首先，作者描述一類具有應變無關感測性能的柔軟可拉伸機械傳感器。當傳感器承受高達50％應變的拉伸變形時，傳感器的信號輸出在整個拉伸過程中保持高度穩定（幾乎沒有信號變化）。很少報導這種與應變無關的傳感性能，因為常規傳感器在拉伸時的電阻變化會影響其性能。這些應變不敏感傳感器非常需要製造完全柔軟，可拉伸且可靠的機器人和假肢。此外，作者演示了一種具有單電極模式配置的電子皮膚，與傳統的雙電極模式電子皮膚相比，該電子皮膚通過增強感測像素密度和數據採集速度而表現出出色的性能。電位機械傳遞機構的這些獨特特性為設計傳感器和集成電子設備提供了新途徑，並為創新型智能電子系統的未來發展做出了貢獻。

基於全解決方案的電位傳感器的製造

為了製造電位機械換能器，作者首先將微結構化的離子複合材料夾在兩個電極之間，如圖2A所示。在機械換能器上施加力將同時增加離子複合材料與兩個電極之間的接觸面積。如圖2C所示，較大的力會導致兩個電極之間的電位差更高。然而，這種夾層結構並不緊湊，因為在離子複合材料和電極之間沒有結合。另外，很難用這種夾心結構封裝機械換能器。為了解決這些問題，作者使用並排電極配置，將微結構化離子複合材料放置在兩個電極的頂部，如圖2（B和D）所示。用柔軟的聚二甲基矽氧烷（PDMS）層封裝後，具有並排電極配置的機械換能器非常緊湊，並且易於通過連續且可擴展的過程來構造。並排電極配置的靈敏度低於夾層結構的靈敏度（圖2C），但作者可以通過增加離子複合材料的水含量輕鬆地對此進行補償。因此，在這項研究中使用了並排電極配置。

圖2 電位式機械換能器的全解決方案製造。

（A和B）示出具有夾心結構（A）和並排電極構造（B）的機械換能器的示意圖。（C）具有不同配置的機械換能器的響應行為。施加力的接觸面積約為16 mm 2。（D）通過全溶液處理方法製造的電位式機械換能器的示意圖和照片。見圖。S4為製作工藝。（E）附著在PET基材上的微結構化PVA / NaCl /甘油（Gly）/水離子複合膜的圖片。（F和G）光學顯微照片，顯示了通過網格成型策略在離子複合材料表面上產生的微觀結構。見圖。S5為整個過程流程。比例尺為500μm（F）和100μm（G）。（H）微結構離子複合材料的橫截面形態和表面輪廓。比例尺，500μm。

作者開發了一種全解決方案的加工方法來製造電位機械換能器。具體而言，將商用PB /碳墨水和Ag / AgCl墨水依次模版印刷在柔性聚對苯二甲酸乙二酯（PET）基板上，然後將墨水固化為固體電極。對於離子複合材料，作者選擇環保型聚乙烯醇（PVA）作為聚合物基質，選擇氯化鈉（NaCl）作為離子源。此外，作者將無毒甘油（Gly）摻入離子複合物中。Gly充當保溼劑，可用於調節離子複合材料的水含量和電阻抗（圖S2）。Gly還用作增塑劑，可以增加離子複合材料的柔軟度。結合這兩個方面，電位式機械換能器的靈敏度可通過調節Gly含量輕鬆調節。通過將PVA / NaCl / Gly水溶液澆鑄到微圖案化的模板上來製備離子複合材料。乾燥後，可以獲得微結構化的PVA / NaCl / Gly /水離子複合材料（圖2E）。網格成型策略用於在PVA / NaCl / Gly /水離子複合材料上創建周期性的微觀結構。如圖2（F至H）所示，通過這種網狀模製策略產生的微結構非常均勻且周期性。最後，通過用薄的PDMS層封裝器件，作者將印刷電極和離子複合材料集成到緊湊的電位機械換能器中（圖2D）。通過這種環保，具有成本效益的全解決方案加工方法，作者可以製造出可擴展且高產的機械換能器。

這種電位傳感器的機械轉導機制提供了一種新的方法，可以連續監測具有自生電壓輸出的靜態或緩慢變化的機械刺激。當在機械換能器上施加靜態力並保持50秒時，在該時間段內記錄的電壓信號幾乎保持恆定。而壓電和摩擦電傳感設備也可以生成電壓信號輸出，但不能用於記錄靜態或緩慢變化的機械刺激。從而在這方面補償了壓電和摩擦電傳感裝置的局限性。

電位計設備的功耗極低，在電位計測量過程中記錄的功耗小於1 nW，這比常規傳感設備的功耗低幾個數量級。這是因為兩個電極之間測得的電位差是自產生的，並且不依賴於外部電源。對於大型感測系統，這些節能設備是非常理想的。

應變不敏感的機械傳感器

與柔韌性相比，可拉伸性將是下一代電子設備更理想的特性，因為它可以改善電子組件 的可變形性，順應性和耐用性。然而，由於不能獨立於拉伸引起的幹擾來測量機械刺激，因此開發可拉伸的機械傳感器仍然是一個巨大的挑戰。固有可伸展的導電材料 有望在拉伸下顯示出較小的電導變化，並可用於緩解此問題。然而，通常需要複雜的化學合成或精細的微相操作，並且仍然難以完全消除拉伸引起的幹擾。最近，不可拉伸材料和裝置的結構工程（例如，蛇形結構，波浪形結構，摺紙結構）顯示出製造可拉伸電子器件的良好前景 。然而，該策略通常涉及複雜的製造工藝，並且對於高密度器件集成也是不利的。這些方面限制了它們的實際和廣泛應用。因此，開發一種簡便且可擴展的方法來創建具有獨立於應變的傳感行為的機械傳感器仍然是一個巨大的挑戰，但卻是創建可伸縮電子系統的一個令人興奮的目標。

在這項工作中，代替結構或材料的創新，作者提出了一種新的傳感機制（即電位機械傳遞），通過將電位機械傳感器與彈性導體組合在一起來製造對應變不敏感的機械傳感器。可伸縮傳感器的工作原理在圖3A中示出。

圖3 具有與應變無關的傳感性能的可拉伸機械傳感器。

（A） 示意圖，顯示了對應變不敏感的電位計傳感器的工作原理的電路模型。（B）可伸縮傳感器的說明性布局。（C）顯示傳感器良好拉伸性的照片。

製成的傳感器表現出良好的柔軟性，柔韌性和可拉伸性。

作為概念驗證，作者演示了可伸縮傳感器在感知手指觸摸時不受拉伸引起的幹擾的應用。首先，將手指壓在觸覺傳感器上並保持約10秒以施加靜力。隨後，手指反覆按壓觸覺傳感器50個周期以施加動力。如圖3G所示，電位計觸覺傳感器在拉伸至50％應變之前和之後均可檢測靜態和動態刺激。預拉伸傳感器（達到50％應變）和未拉伸傳感器（0％應變）會產生幾乎相同的信號（包括信號強度和信號模式）。使用常規的傳感機制很難實現這種與應變無關的靜態和動態刺激檢測能力。作者設想這些不敏感應變的傳感器對於製造軟機器人，可伸展的假體和舒適的醫療保健設備非常有前途。

單電極模式皮膚

對於大多數報告的電子皮膚，每個感應像素通常都有兩個電極，因此每個像素必須有兩條連接線才能獲取和傳輸數據（圖4A）。基於最先進的製造技術，大尺寸導線的空間排列限制了這些雙電極模式電子皮膚的像素密度和像素數量。或者，使用交叉柵電極配置可減少布線的複雜性並提高像素密度（圖4B）。然而，感測像素需要一個接一個地操作以避免相鄰像素之間的串擾，這限制了數據採集速度。在這裡，作者描述基於電位機械傳遞機制的單電極模式皮膚。首先，作者使用單個電極作為參考點，並測量其他感應電極相對於該參考點的電位差（如圖4C所示））。這種單電極模式皮膚有很多優勢。首先，與雙電極模式電子皮膚相比，這種電極配置可以減少布線的複雜性並提高像素密度。其次，由於電位測量中涉及的電流可忽略不計，因此可以最小化或消除不同感測像素之間的幹擾和串擾。這使得從所有感測像素同時獲取數據變得可行，這可以大大提高未來電子皮膚的數據獲取速度。此外，該電位電子皮膚在功耗（小於1 nW）方面顯示出優於其他兩個電極配置的優勢，這使其在實際應用中具有很大的競爭力。

圖4 單電極模式皮膚

與雙電極模式電子皮膚相比，單電極模式電子皮膚的製造更為經濟。僅需要三個步驟：（i）在柔性基板上印刷電極圖案；（ii）離子複合膜的溶液澆鑄；以及（iii）電子皮膚的最終組裝。作為演示，製造了具有6×6感應像素的柔性單電極模式電子皮膚（圖4，D和E）。

重建的顏色映射與對象的分布一致，證明了電子皮膚解決空間壓力分布的能力。憑藉易於製造，超低功耗以及良好的增強像素密度和數據採集速度的能力，這些單電極模式電子皮膚非常適合廣泛的應用，例如柔性觸控螢幕，智慧機器人，交互式可穿戴設備等。

本文通過全解決方案加工方法製造的電位機械換能器具有超低功耗（小於1 nW），高可調性以及良好的檢測靜態和低頻動態機械刺激的能力。基於這種電位感應機制，作者報告了兩類新型設備：（i）具有應變獨立感應性能的可拉伸機械傳感器，以及（ii）與像素密度和數據採集速度相比具有改進的單電極模式電子皮膚傳統的雙電極模式電子皮膚。作為機械轉導機制創新的範式，仍然需要探索許多方面。例如，開發新的材料系統對於進一步改善機械換能器的性能是必要的，例如響應/恢復速度，可檢測的頻率範圍。另一方面，除了對應變不敏感的傳感器和單電極模式皮膚外，還可以探索具有其他新穎特性的新型電子設備。作者相信，這項工作可以作為實現未來柔軟，可拉伸和多功能電子皮膚的重要基礎。

原文信息; A potentiometric mechanotransduction mechanism for novel electronic skins,

Science Advances，DOI：10.1126 / sciadv.aba1062