科研进展简报

基于柔性透明电极的可感知疼痛的电子皮肤

来源:武汉光电国家实验室(筹)    作者:能源光子学功能实验室    发布时间:2017年11月24日

       仿生电子皮肤在人造假肢和机器人等领域备受关注,但生物体不仅有复杂的压力感知系统与同时也有疼痛感知小体,而传统的压力传感器大多只限于单一的响应模式,导致其高压力范围的灵敏度急剧下降,使电子皮肤在最需要警示功能时灵敏度无法满足要求甚至完全失效。为了解决这个问题,华中科技大学武汉光电国家实验室能源光子学功能实验室胡彬和周军教授课题组,模仿水母(Atolla wyvillei)在受到伤害性刺激能够迸发强光的功能,设计了一种双模感应的电子皮肤,不仅能感知的微小压力,还可以对造成潜在伤害的压力威胁发出明亮的光以警示。

       研究课题组在可拉伸的电子皮肤中嵌入一层微结构的PDMS(聚二甲基硅氧烷),并在其中掺入对高频电场响应的磷光体。PDMS弹性层的微结构能有效提高传感器对轻微压力的灵敏度,研究展示了电子皮肤对微风或叶片等外界微弱刺激的有效快速响应。而当更大的压力加载在电子皮肤上,如针尖刺激,嵌入在透明PMDS中的磷光颗粒会发出光,并且光强随着压力的增大而增强。这种电子皮肤,通过结合电和光两种响应模式量化和映射压力,实现了高敏感压力范围的互补,分别模仿了生物皮肤的机械感受器和伤害感受器的功能,压力响应范围接近真实人类皮肤。然而要让在产生的光能有效出射,必须要利用透明电极,传统的基于陶瓷的透明电极在形变时会导致碎裂,无法胜任该应用。研究中采用了嵌入弹性体的银纳米线作为透明电极,不仅具有高透过还能承受70%的拉伸,满足了仿照人类皮肤的机械特性。这些属性使其在智能机器人、人造假肢等领域有潜在应用价值。

        该研究工作“Dual-Mode Electronic Skin with Integrated Tactile Sensing and Visualized Injury Warning”,发表在ACS applied materials & interfaces, 2017, 9 (42), 37493。论文被美国化学学会选为ACS 每周新闻Weekly PressPac推荐报道,被Science Daily、Eurekalert、Phys.org等多家媒体以题为“Jellyfish-inspired electronic skin glows when it gets hurt”报道。

 

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b13016

https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/presspacs/2017/acs-presspac-november-1-2017/jellyfish-inspired-electronic-skin-glows-when-it-gets-hurt.html

 

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图a:警报水母,图b为电子皮肤在高压力下的发光照片