温州大学陈亦皇课题组《Small Methods》：柔性、透气和可回收的聚合物/液态金属基（非）接触双模式瞬态电路用于可穿戴人机交互
Flexible, permeable and recyclable liquid-metal-based transient circuit enables contact/non-contact sensing for wearable human-machine interaction
Kai Zheng, Fan Gu, Hongjin Wei, Lijie Zhang, Xi’an Chen, Huile Jin, Shuang Pan,* Yihuang Chen,* Shun Wang*
2023, DOI：10.1002/smtd.202201534
研究背景
在过去的几十年里，智能柔性电子领域取得了重大进展，应用于人机交互、可穿戴设备、电子皮肤和软机器人等领域。一般来说，传感器的工作模式可以分为接触传感和非接触传感。接触模式下的触觉传感器依赖于来自物体的直接刺激。而非接触式传感器能够利用电磁场和温度变化等信号避免物体接触实现检测。然而到目前为止，同时实现接触-非接触传感，通常至少需要两种或两种类型以上的电子元件集成，这大大增加了传感器的制备和操作复杂性。同时目前报道的器件在接触模式(通常< 1MPa-1)的灵敏度上有很大的妥协，以实现引人注目的非接触性能。因此，开发一种具有优异性能、高集成度的接触-非接触双模式柔性传感器仍然还存在诸多的挑战。
除了电子产品的功能特性外，舒适、安全和环保也成为了人们不可忽视的问题。目前报道的传感器主要使用不可回收的材料（如PDMS、PET、尼龙、和聚酰亚胺等），导致产生了大量的电子垃圾。因此，选择合适的环保可降解聚合物（如聚乙烯醇等）避免环境污染迫在眉睫。同样，基于可降解材料制备的柔性压力传感器由于在个人健康管理、医疗监控、环境监测等领域发挥着重要作用，且在减少电子垃圾，缓解环境问题方面具有巨大潜力，已成为当今的研究热点。
研究成果
针对上述发展现状，温州大学陈亦皇教授团队设计了一种聚合物/液态金属有机/无机复合材料，提出了一种简单而稳健的策略来制造具有双模式响应、高透气性、高灵敏度、优越机械稳定性、优良导电性和可回收的柔性瞬态电路。该电路具有高分辨率（100 μm）和优越的导电性（2.5×105 S/m），在常规变形时表现出优越的导电性和优异的机械耐久性（10000次）。所制备的传感器具有1.24 kPa-1的高触觉灵敏度，同时具有出色的非接触传感性能，这是目前报道的先进双模式系统(通常< 1MPa-1)所无法达到的。为了说明其实用潜力，证实了其在接触模式下的信息传输、位置验证和压力可视化能力，以及非接触模式下的空间(如方向、距离和角度)和材料(如数量、成分和运动)识别能力。并且该柔性电路表现出高效的可回收性（92%），促进了可持续发展和环境保护。其中论文的第一作者为温州大学研究生郑凯，相关研究以“Flexible, permeable and recyclable liquid-metal-based transient circuit enables contact/non-contact sensing for wearable human-machine interaction”为题发表在Small Methods期刊上。
研究亮点
1. 提出了一种基于叉指电极图案的双模式传感电子皮肤(FICES)，具有高分辨率（100 μm）、优越的导电性（2.5×105 S/m）、优异的机械耐久性（10000次）、出色的响应时间（< 100 ms）、高透气性及高灵敏度（1.24 kPa-1）。
2. 系统地研究了柔性电路的电阻、焦耳加热、压力感应以及空间遥感性能，并表现出优异的性能，可以实现阵列传感、摩斯密码交互、物体识别、水位检测等多功能的应用场景。
3.通过单片机系统实现遥控蓝牙小车、压力报警传感、玩贪吃蛇游戏等人机交互应用。该柔性电路具有高回收率（92%）。
图文导读
Figure 1. Schematic illustration of the fabrication process of the LM-patterned transient circuits on the electrospun film.
Figure 2. Characterization of LM-patterned circuit on electrospun PVA film.
Figure 3. Applications of the FICES based on contact mode.
Figure 4. Applications of the FICES based on non-contact mode.
Figure 5. FICES-based sensor for real-time wireless intelligent car control system and gamepad system.
Figure 6. Recycling and reconfiguration of flexible electronics.
总结与展望
综上所述，作者通过结合静电纺丝和模板印刷技术，开发了一种具有高分辨率、可穿戴的、高透气的瞬态电子设备。由于聚乙烯醇纤维膜的高透气性和在衬底上印刷的液态金属自身的液体性质和优越的导电性，所制备的柔性器件在发生变形时表现出优越的电力学稳定性和的机械耐久性。更重要的是，基于液态金属叉指电极电容式传感器表现出接触-非接触双模式传感的能力，具有优异的触觉灵敏度（高达1.24 kPa-1）和响应时间（< 100 ms）。此外，该传感器已成功地应用于多种应用场景，如阵列传感、摩斯密码交互、物体识别、水位检测等。更有意思的是，通过单片机arduino，作者组装了一种基于柔性传感器的可穿戴无线通信系统，可用于智能人机交互，实现了对实时目标控制（如智能汽车和虚拟游戏）和信息反馈（如过载报警）等功能。最后，这些柔性器件在报废后可在水溶液中的溶解，具有非常高的回收效率（92%），促进了可持续发展和环境保护，推进可穿戴和智能设备的发展，相信该材料将会成为未来研究的热点。
转自：“i学术i科研”微信公众号
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