基于PU-TA@MXene Janus 架构的多功能柔性传感器用于选择性方向识别

研究背景

被称为电子皮肤(E-Skin)的柔性传感器，通过将外部信息转换为电信号，提供了人类皮肤的仿生感知，凭借其灵活性、重量轻和用户舒适等综合优点，在智能机器人、人机互动、健康护理监测和可穿戴电子产品领域引起了极大关注。然而，这些柔性传感器的实际应用并不广泛。与人类皮肤选择性响应的决定性特征不同，其中一个重要原因是以前报道的大多数柔性传感器没有足够的多功能性或对多模态信号的选择性响应，这需要一个复杂的信号处理系统来分析和分类输出信息的具体含义。例如，在可穿戴电子设备最重要的应用领域，柔性传感器可以被用来监测人类生理和运动的各种信号，如血压、心跳和关节拉伸或弯曲的拉力。这些传感器的输出不能直接应用于后端系统，直到通过信号处理排除其他信号的干扰或解耦设备对张力、压力和其他应变的反应。特别是，身体关节更复杂的活动，包括手腕、颈部和其他具有多方向运动的身体部位，表现出多种状态(如张力、定向弯曲和压缩应力)，并随时切换。因此，这些机械状态的检测，特别是弯曲方向的检测，对于体育锻炼评估和健康管理，如乒乓球、篮球和羽毛球，以及颈椎退行性疾病具有值得的价值。此外，在探索具有复杂和不方便状态的未知情况时，对方向和角度的辨别是有帮助的，也是至关重要的；例如，在救援活动中，蛇形机器人在废墟中探索路径。总之开发一种对弯曲方向、压力和拉伸有选择性反应的柔性传感器是非常必要和重要的。

研究成果

多功能的选择性和机械性能一直是柔性传感器领域的关注焦点。特别是，构建传感材料的仿生结构可以赋予制造的传感器以固有的反应特征和额外的衍生功能。在此，受人类皮肤不对称结构特征的启发，中科院苏州纳米所张庭研究员团队提出了一种新型的单宁酸(TA)修饰的PU-TA@MXene薄膜，它是通过重力驱动的自组装，将二维TA@MXene 纳米片梯度分散到 PU网络中制备的。这种薄膜显示了强大的机械性能，其断裂伸长率为 2056.67%，极限拉伸强度为50.78MPa，并具有自愈合性能。此外，Janus 结构可以导致柔性传感器对定向弯曲、压力和拉伸的选择性多功能响应。与机器学习模块相结合，该传感器被赋予了高识别率的力检测(96.1%)。同时，救援行动中的方向识别和人体运动监测也可以通过该传感器实现。这项工作为柔性传感器的材料结构、机械性能和应用平台提供了重要的研究价值和实践意义。相关研究以“Multifunctional Flexible Sensor Based on PU-TA@MXene Janus Architecture for Selective Direction Recognition”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Schematic illustration of the gradient architecture and the corresponding preparation process of the PU-TA@MXene Janus film.

Figure 2. Characterization of the PU-TA@MXene Janus film.

Figure 3. Mechanical performances of the PU-TA@MXene Janus film.

Figure 4. Sensing mechanism and measure method of the PU-TA@MXene Janus film-based flexible sensor.

Figure 5. The ability of the PU-TA@MXene Janus film-based sensor to distinguish bending, strain and compress.

Figure 6. The PU-TA@MXene Janus film-based flexible sensor attached on the wrist of human for motion monitoring.

总结与展望

综上所述，作者开发了一种浓度梯度 Janus 结构的 PU-TA@MXene 薄膜，以形成从上到下的梯度弹性模量，它是通过重力驱动自组装的方式将二维TA@MXene 纳米片梯度分散到PU网络中制备的。该薄膜的不对称性赋予了它对法向、拉伸和定向弯曲力的选择性反应，实现了对手腕运动的标准监测。同时，非共价键的动态性质允许它们在拉伸过程中被打破和重组这使得该材料具有高拉伸性、坚固性和自我修复能力。作者认为，该材料的微观/纳米级结构设计和高性能使其在柔性传感器的应用上大有可为，并设想这里提出的设计概念可以代表一种制备多功能和强韧材料的一般方法。

文献链接

Multifunctional Flexible Sensor Based on PU-TA@MXene Janus Architecture for Selective Direction Recognition

https://doi.org/10.1002/adma.202302847

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