超灵敏双信号传感的机械变色光/电子皮肤

研究背景

可穿戴设备日益多样化的要求促使研究人员开发人工电子皮肤(E-skins)，作为人机界面、人工智能、物联网和软机器人领域的最先进的触觉传感器。在赋予传感器多功能传感能力和人类皮肤的组织状变形能力方面，已经做出了相当大的努力，同时纳入了所需的功能特性，如高灵敏度、低检测极限和卓越的空间敏锐度。

最近，对电子皮肤的研究已经超出了模仿人类皮肤的范围，开发出更多迷人的功能，如应变和压力可视化。为了实现设备和用户之间直接的智能互动，已经设计了各种交互式电子皮肤，将空间分辨率的传感数据转变成最直接的读出，即视觉信号。例如，发光装置和发光材料被用来将强度变化的外部刺激可视化，其中电子传感器具有双信号能力，可以产生准确的电反应和即时的视觉读数。然而，亮度容易受到环境光的影响，而人眼对亮度变化不敏感，因此很难感知无误的视觉信息。由于具有高对比度的视觉互动和更容易的色谱检测，具有宽色彩切换范围的各色元素在敏感的双信号传感方面需求量很大。由外引起的传感元件的尺寸变化导致了纳米晶体晶格的改变，这使得结构颜色模式能够精确反映应力/应变的空间分布。凭借这种高分辨率的应力分布，双信号模式电子皮肤能够为可视化复杂变形和解决触觉力提供有价值的定量信息。

研究成果

继早期致力于实现多功能传感的研究工作之后,最近人工皮肤的发展通过整合应变和压力刺激的互动可视化，努力超越人类的感觉功能。受蜘蛛缝隙器官的微裂结构和变色龙的机械变色机制的启发，香港理工大学Xi Shen&香港科技大学Jinglei Yang、Jang-Kyo Kim教授等人旨在设计一种灵活的光/电子皮肤 (OE-skin)，能够对复杂的刺激做出反应，并提供人类可读的结构颜色的互动反馈。OE-skin由一个离子电极与一个弹性介电层一个含有光子晶体的色差层和一个导电的碳纳米管/MXene 层相结合。电极/介电层作为一个电容式压力传感器发挥作用。嵌入明胶/聚丙烯酷胺可拉伸水凝胶薄膜中的铁氧体-碳磁阵列的机械色子晶体可感知应变和压力刺激，在全可见光谱中具有明亮的颜色开关输出。底层的微裂纹导电层专门用于超灵敏的应变感应，其测量系数为 191.8。多层OE-skin为电容式压力感应提供了超快、准确的响应，检测极限为 75 Pa，长期稳定性为 5000 次，同时以高分辨率空间色彩的形式将复杂的变形可视化。这些发现为 电子皮肤作为多功能传感设备的合理设计提供了深刻的见解。相关研究以“Mechanochromic Optical/Electrical Skin for Ultrasensitive Dual-Signal Sensing”为题发表在ACS Nano期刊上。

研究亮点

1. 在变色龙的机械变色机制和蜘蛛缝隙器官的微裂结构的启发下，开发了一种超灵敏的双信号光/电子皮肤 (OE-skin)。

2. 作为一个多功能的传感器，能够通过全可见光谱中明亮的颜色切换来观察外部应变和压力，具有很高的、可逆的空间分辨率。

图文导读

Figure 1. Schematic illustration of the bioinspired mechanochromic OE-skin.

Figure 2. Structural design of OE-skin.

Figure 3. Tunable optical, mechanical, and electrical properties.

Figure 4. Optical and electrical dual-signal responses of OE-skin to tensile strain stimuli.

Figure 5. Optical and electrical responses of the OE-skin to normal pressure stimulus.

Figure 6. Demonstration of the OE-skin to visualize complex deformation.

Figure 7. Demonstration of the OE-skin to discriminate different tactile forces.

总结与展望

综上所述，通过模仿变色龙的结构颜色和蜘蛛缝器官的微裂纹结构，设计了一种高灵敏度的光、电双信号OE-skin，可以准确检测并交互反馈拉伸应变、正常压力和复杂的触觉感知。多层变色膜由嵌入 Fe3O4@C 颗粒列的明胶/PAM 水凝胶、微裂纹CNT/MXene 导电膜和平行板电容式传感器组成，它们分别能准确地显示各种机械刺激、检测拉伸应变和感知压力刺激。来自非紧密堆积的 Fe3O4@C 光子晶体的机械响应能力可以对平面内的拉伸和正常压力做出反应，在从暗红色(680 nm)到紫色 (430 nm)的全可见光谱中发出明亮的颜色切换光学信号。由微裂纹CNT/MXene 导电膜促成的 OE-skin 的裂纹传播机制提供了超高的电应变灵敏度，在300%应变的宽工作范围内，GF 高达191.8。压力感应功能表现出出色的电容信号，检测极限低至 65 Pa，反应速度快至126 ms，并能稳定运行 5000次。通过整合光学结构颜色的空间分布以及电阻和电容的电信号，OE-skin能够以较高的时空分辨率和定量的电学数字化来可视化复杂变形的应力分布。通过区分接触点和相邻区域的视觉颜色图，不同类型的触觉力量，包括正常压力、结合正常压力的剪切力和平面内的扭转，都得到了有效的解决。OE-skin的这些功能特点可能为设计下一代多功能传感器提供了一种概念上的有趣方法。

文献链接

Mechanochromic Optical/Electrical Skin for Ultrasensitive Dual-Signal Sensing

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c00015

转自：“i学术i科研”微信公众号

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