機(jī)械感測是皮膚的重要感覺能力,例如感測壓力以控制抓握并檢測彎曲角度以監(jiān)視身體運動。具有皮膚機(jī)械感測能力的電子皮膚(E-skin)被認(rèn)為有希望應(yīng)用于假肢和高級機(jī)器人。然而,這些電子設(shè)備往往需要外接電源,或者自供電E-skin無法承受變形和機(jī)械損壞,因為這對于設(shè)備的剛性具有較高的要求。

受人類皮膚的自修復(fù)啟發(fā),自愈聚合物有希望應(yīng)用于剛性和自供電的E-skin。之前報道的自供電E-skin的摩擦電層和電極往往由異質(zhì)材料組成,其摩擦電層和電極之間具有不同的模量和高模量失配,這導(dǎo)致在拉伸變形期間電極斷開或在界面處剝離。當(dāng)拉伸E-skin時,此問題會導(dǎo)致機(jī)械傳感能力的不穩(wěn)定。另外,異質(zhì)材料具有不同的自我修復(fù)能力,基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的自供電E-skin很難實現(xiàn)摩擦電層、電極以及斷裂后各層之間的界面的完全自修復(fù)。

成果

基于以上問題,北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張躍院士和廖慶亮教授團(tuán)隊,制備出一種具有優(yōu)異機(jī)械韌性和自修復(fù)能力的導(dǎo)電聚氨酯彈性體(PUE)。基于PUE均勻結(jié)構(gòu)和摩擦電-靜電感應(yīng)效應(yīng),開發(fā)了一種高強度且自供電的電子皮膚(HRSE-skin)。HRSE-skin在50%拉伸變形過程中具有穩(wěn)定的機(jī)械傳感能力。此外,由于均勻結(jié)構(gòu)具有完全自我修復(fù)能力,HRSE-skin在斷裂后可以恢復(fù)其拉伸性和機(jī)械傳感能力。相關(guān)成果以“Highly Robust and Self-Powered Electronic Skin Based on Tough Conductive Self-Healing Elastomer”為題發(fā)表在《ACS nano》上。

?北科大張躍院士/廖慶亮教授《ACS Nano》:基于導(dǎo)電自修復(fù)彈性體的自供電電子皮膚

圖文解析

1.?設(shè)計策略和機(jī)械性能

?北科大張躍院士/廖慶亮教授《ACS Nano》:基于導(dǎo)電自修復(fù)彈性體的自供電電子皮膚
圖1?絕緣PIE膜、導(dǎo)電PIE膜和馬皮的成分和機(jī)械性能

 

具有優(yōu)異機(jī)械韌性和自修復(fù)能力的導(dǎo)電聚氨酯彈性體(PUE)被用于自供電E-skin?;谧杂^緣/導(dǎo)電PUE均勻結(jié)構(gòu)和摩擦靜電感應(yīng)效應(yīng),HRSE-skin高度堅固且自供電。絕緣PUE和導(dǎo)電PUE之間具有相似的模量、化學(xué)鍵和分子結(jié)構(gòu),可以在均質(zhì)結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)低模量失配和完全自愈。HRSE-skin可以在接縫處滾動,并以35 N的張力拉伸至352%,表明具有出色的柔韌性和可拉伸性(圖1 d)。HRSE-skin的恢復(fù)滯后在第一個循環(huán)后約為10%,在隨后的50%拉伸變形過程中,拉伸環(huán)幾乎重疊(圖1 e)。HRSE-skin的循環(huán)拉伸性能與人體皮膚的可拉伸性(變形30%)相當(dāng)。以上結(jié)果表明,HRSE-skin具有出色的機(jī)械性能。

2.?工作原理和機(jī)械傳感能力

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圖2?表征HRSE-skin的工作原理和傳感性能

 

HRSE-skin是基于摩擦靜電感應(yīng)效應(yīng),通過物體與HRSE-skin之間的電子轉(zhuǎn)移在接觸分離過程中形成變化的靜電場(圖2 a)。HRSE-skin的機(jī)械感測靈敏度定義為當(dāng)前壓力曲線的斜率。由于摩擦電荷飽和和接觸面積的增加,如圖2 b,隨著壓力的增大,斜率減小。并且,如圖2 c所示,在超過1000次重復(fù)的機(jī)械感測測試中,響應(yīng)電流沒有降級,而且,在機(jī)械傳感穩(wěn)定性測試中,表現(xiàn)出了優(yōu)異的穩(wěn)定性(圖2 d-2 f),表明HRSE-skin可廣泛應(yīng)用于機(jī)器人或假肢應(yīng)用中以實現(xiàn)穩(wěn)定的機(jī)械傳感。

3.?自愈能力

?北科大張躍院士/廖慶亮教授《ACS Nano》:基于導(dǎo)電自修復(fù)彈性體的自供電電子皮膚
圖3?絕緣PIE膜、導(dǎo)電PIE膜和HRSE-skin的完全自愈能力的光學(xué)圖像

 

圖3顯示了基于絕緣/導(dǎo)電PUE膜的HRSE-skin的完全自我修復(fù)能力。經(jīng)過24 h后,相比于原始狀態(tài),具有一定寬度的槽消失了。這種完全自我修復(fù)的能力可以歸因于具有相同分子鏈和化學(xué)鍵的完全有機(jī)均質(zhì)結(jié)構(gòu)。因此,可以在HRSE-skin皮膚上進(jìn)行從電極到摩擦電層的完全自愈,而不會受到層間界面的阻礙。

4.?HRSE-skin的拉伸性和機(jī)械感測能力的自我修復(fù)

如圖4 a,將切斷自愈5 min后的HRSE-skin,發(fā)現(xiàn)電極的電阻變化太小而不會引起機(jī)械傳感能力的顯著下降。24 h后,HRSE-skin機(jī)械感測能力恢復(fù)到原來的92%,這些性能與原始狀態(tài)相同,表明通過延長自我修復(fù)時間恢復(fù)了HRSE-skin的機(jī)械傳感能力。而自愈后拉伸性卻不盡人意。為了提高其子自愈后的拉伸性,溫度從25升到了75℃。如圖4 a和4 b所示,在同一位置進(jìn)行第三次自我修復(fù)后,拉伸能力和感測能力分別保持在85%和91%。即使重復(fù)10次自我修復(fù)后,拉伸能力的平均值也可達(dá)到為90%,表明HRSE-skin足夠堅固。

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圖4表征和解釋HRSE-skin的完全自我修復(fù)能力

 

自我修復(fù)能力的偏差可能與重新連接后破裂的HRSE-skin無法完全對齊有關(guān)。HRSE-skin的未對齊表面的自修復(fù)效果不理想,因此可拉伸性的自修復(fù)效率會有所不同。當(dāng)設(shè)備遭受機(jī)械損壞時,出色的自我修復(fù)能力使HRSE-skin極為堅固。而HRSE-skin優(yōu)異的自愈能力是通過在PU分子鏈中引入二硫鍵和多重氫鍵來實現(xiàn)(圖4 c, d)。

5.?HRSE-skin的實際應(yīng)用

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圖5?實際應(yīng)用中HORSE皮膚的自愈能力和穩(wěn)定的機(jī)械感測能力

 

完美的自愈能力使骨折后的HRSE-skin具有可恢復(fù)的拉伸性和機(jī)械傳感能力。將與LED串聯(lián)的HRSE-skin切開,然后重新連接在一起。5 min后,重新連接的HRSE皮膚可以彎曲而不會破裂,并且LED的亮度得以恢復(fù)。75℃后加熱24 h,可以將自愈的HRSE-skin拉伸并用于感知手指彎曲(圖5 a,b)。這種完美的完全自我修復(fù)能力使HRSE-skin具有能力來抵抗機(jī)械損傷。此外,均勻結(jié)構(gòu)中的低模量失配使得HRSE-skin在變形過程中具有穩(wěn)定的機(jī)械傳感能力。如圖 5 c中所示,將HRSE-skin附著到假肢上以使其彎曲在一起,并以相似的壓力對其進(jìn)行擠壓。圖5 d顯示了HRSE皮膚在彎曲和拉伸過程中對壓力的響應(yīng)電流沒有明顯變化。

結(jié)論

這項研究通過制備導(dǎo)電自愈PUE和構(gòu)建均勻結(jié)構(gòu)來解決自供電電子皮膚低剛性的問題,這個自供電E-skin對于在假肢和高級機(jī)器人的實際應(yīng)用具中有重要意義。

文章鏈接:

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c04158

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