研究人員利用水凝膠製作出耐用的電子皮膚

2020-12-05 科技報告與資訊

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電子皮膚,一種在強度、伸縮性和靈敏度上模仿人類皮膚的材料可以用來實時收集生物數據,可能會在下一代假肢、個性化醫療、軟機器人和人工智慧中發揮重要作用。阿卜杜拉國王科技大學(KAUST)的研究人員開發出一種耐用的 "電子皮膚",它可以模仿人類皮膚的自然功能,如感知溫度和觸摸。

"理想的電子皮膚將模仿人類皮膚的許多自然功能,如準確和實時地感知溫度和觸摸,"KAUST博士後Yichen Cai說。然而,要製造出合適的柔性電子器件,既能完成如此精細的任務,又能承受日常生活中的顛簸和刮擦,是一項挑戰,所涉及的每一種材料都必須經過精心設計。

大多數電子皮膚都是通過在附著於人體皮膚的彈性表面上分層放置活性納米材料(傳感器)而製成的。然而,這些層之間的連接往往太弱,這降低了材料的耐用性和靈敏度,而如果連接太強,靈活性就會受到限制,使其更容易開裂和破壞電路。

二維傳感器的出現加速了將這些原子厚度的、機械強度高的材料集成到功能性、耐用的人造皮膚中的努力。

目前,Cai和同事Jie Shen領導的團隊已經創造出了一種耐用的電子皮膚,使用矽納米顆粒強化水凝膠作為強韌而有彈性的基底,二維碳化鈦MXene作為傳感層,與高導電性的納米線結合在一起。

"水凝膠70%以上都是水,使其與人體皮膚組織非常相容。"Shen解釋說。通過將水凝膠向各個方向預拉伸,塗抹一層納米線,然後仔細控制其釋放,研究人員創造了通往傳感器層的導電通路,即使材料被拉伸到原始尺寸的28倍,也保持完整。

他們的電子皮膚原型可以感知20釐米以外的物體,在不到十分之一秒的時間內對刺激做出反應,當作為壓力傳感器使用時,可以分辨出寫在上面的字跡。在經歷了5000次變形後,它仍然能很好地工作,每次都能在大約四分之一秒內恢復。"電子皮膚在反覆使用後仍能保持堅韌,這是一個驚人的成就,"Shen說,"這模仿了人類皮膚的彈性和快速恢復能力。"

這種電子皮膚可以監測一系列生物信息,比如血壓的變化,從動脈的振動到大肢體和關節的運動都可以檢測到。然後,這些數據可以通過Wi-Fi共享並存儲在雲端。

"電子皮膚廣泛使用的一個剩餘障礙在於擴大高解析度傳感器的規模,"組長Vincent Tung補充道,"然而,雷射輔助增材製造提供了新的希望。"

"我們設想這項技術的未來將超越生物學,"Cai補充道。"可拉伸的傳感器帶有朝一日可以監測無生命物體的結構健康情況,如家具和飛機。"

論文標題為《Mixed-dimensional MXene-hydrogel heterostructures for electronic skin sensors with ultrabroad working range》,發表在《Science Advances》上。

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