研究背景
近年来，随着互联网技术的快速发展，人们对可穿戴电子产品的发展进行了巨大的努力。由于传统的硅基电子器件通常不够灵活，科学家们一直在不懈地探索有机电子材料和基于纳米材料的聚合物复合材料用于柔性电子器件。由于材料科学和工程的进步，各种功能材料被揭示和开发出来，这推动了柔性电子器件，特别是传感器的发展。可以附着在人体皮肤上的柔性电子器件在人体运动检测、健康状况监测、机器人技术和人工智能方面有潜在的应用作为柔性电子学的一个重要学科，柔性传感器可以作为可穿戴设备附着在各种不规则的表面上，因为它们具有独特的灵活性和收集生理信号的良好能力，包括人体运动、手腕脉搏和心电图，为疾病预测和诊断提供有价值的信息。各种柔性传感平台，如压力传感器、应变传感器、和自供电的触觉传感器，在过去几十年被广泛的探索。例如，柔性传感器可以直接安装在人体皮肤表面，或者利用编织等技术将柔性电子器件直接集成到衣服上，用于健康监测和人体运动检测。此外，具有多功能传感能力的柔性电子皮肤(e-skin)在智能机器人、假肢和人机交互方面发挥着重要作用。对于实际应用，柔性触觉传感器应具有以下特性，如重量轻、弹性好、拉伸性好和生物相容性。另一方面，在监测医疗保健、触觉感知和人类细微动作方面，对柔性传感器的高灵敏度和快速响应速度要求很高。因此，为了获得高性能的触觉传感器，有必要设计具有高柔性和优良导电性的传感材料。传统导电纳米材料(金属纳米材料、碳基材料)的柔性不能满足实际应用的要求。将导电纳米材料与柔性聚合物结合形成聚合物复合材料是开发触觉传感器传感材料的有效方法。
研究成果
由于柔性触觉传感器在生理监测、诊断、人体假肢、触觉感知和人机交互方面的潜在应用近年来引起了广泛的研究兴趣。由于材料工程的进步，已经获得了高性能的柔性触觉传感器在具有代表性的压力传感材料中，二维层状纳米材料具有许多优于块状纳米材料的特性，更适用于高性能柔性传感器。作为材料科学中的一类二维无机化合物，MXene 具有良好的电气、机械和生物兼容性。基于 MXene 的复合材料由于其出色的可伸展性和金属导电性，已被证明是有希望成为柔性触觉传感器的候选人。因此，人们为开发用于柔性传感器的 MXene基复合材料付出了巨大努力。在本文中，介绍了 MXene 的可控制备和特性。然后，回顾了包括柔性压阻式传感器、电容式传感器、压电式基于MXene 复合材料的柔性触觉传感器，传感器和摩擦静电式传感器的制造策略、运行机制和器件性能方面的最新进展。之后，讨论了基于MXene材料的柔性电子器件在人体运动监测、医疗保健、假肢和人工智能方面的应用。最后，总结了基于MXene的触觉传感器的挑战和前景。相关报道以“Emerging MXene-Based Flexible Tactile Sensors for Health Monitoring and Haptic Perception”为题发表在Small期刊上。广东工业大学Qi-Jun Sun、Zhenhua Tang、Xin-Gui Tang教授及香港都会大学Vellaisamy A. L. Roy教授为通讯作者。
图文导读
Figure 1. MXene-based flexible tactile sensors for human motion， healthcare， and human–machine interaction.
Figure 2. Schematic illustration of the MXene structures.
Figure 3. Pathways to synthesize MXene flakes using a top-down etching method.
Figure 4. a) SEM of Ti3AlC2 (MAX) powder shows dense layered structure. b) Ti3AlC2 powders and Ti3C2TxMXene powder. c) XRD spectra of Ti3C2Tx synthesized by 5， 10， and 30 wt % HF.
Figure 5. a) Typical stress–strain curves of blade-coated and vacuum-filtered films prepared from large MXene flakes. b) Typical compressive stress–strain curves and SEM images of original PAN film and MXene/PAN composite film. c) Tensile properties of Ti3C2Tx/PVA films.
Figure 6. a) MXene film is folded into the shape of a paper plane. b) ΔR/R0 strength response to Crane Wing open and closed state. c) MXene AP film folds into fingertip sensor. d) Use the fingertip sensor to measure the intensity required to collect different objects.
Figure 7. a) Self-assembly diagram of MXene/SWCNT/PVP composite film. b) SF@MXene schematic diagram of biological composite film flexible pressure sensor. c) Schematic diagram of the working mechanism and manufacturing process of the MXene/PAN-based flexible pressure sensor.
Figure 8. a) Schematic diagram of manufacturing process of MXene textile pressure sensor. b) Schematic diagram of pressure sensor based on MCF. c) Schematic diagram of preparation of bark-like MXene decorative fabric. d) Schematic diagram of flexible wearable pressure sensor manufactured by MXene nano sheet and its application.
Figure 9. a) Schematic preparation process of randomly distributed bionic spine microstructure piezoresistive sensor based on MXene. b) Schematic diagram of a biocomposite membrane flexible sensor based on inter[1]locking structure. c) Schematic of MPC sensor. d) General schematic diagram and detailed structure of pressure sensor.
Figure 10. a) Pressure sensing model of the MXene sponge sensor. b) MXene@CS@PU sponge sensor production process diagram. c) Assembly of MXene/rGO aerogel and its sensing mechanism under pressure， and comparison of current response between MXene/rGO aerogel and rGO aerogel. d) Schematic diagram of AgNWs/Ti3C2Tx aerogel prepared by directional freezing.
Figure 11. a) Preparation process of sandwich Ti3C2TxMXene/CNT layer. b) Preparation of Ti3C2/CNCs/WPU strain sensor. c) Schematic diagram of strain sensor based on Ti3C2Tx/G0.5/PDMS structure under different tensile states. d) Schematic diagram of network-P mat strain sensor.
总结与展望
在这项综述中，讨论了用于柔性触觉传感器和相关应用的 MXene 复合材料的合理设计和可控制备的最新进展。MXene家族的化合物具有独特的结构和性能，可以与目标物种进行高效和选择性的相互作用，这些特性表明 MXene可以在各种触觉传感器应用中取得良好的性能。本文通过总结一些报道的例子，介绍了 MXene材料的合成方法和结构，并根据其不同的应用场景详细介绍了MXene材料的机械、电气、光学和化学性能。讨论了基于MXene 材料特性的 MXene基复合薄膜、纺织品和凝胶弹性体以及不同结构的柔性触觉传感器及其在人体运动监测、医疗保健监测、假肢和人工智能方面的应用。
尽管 MXene 材料表现出许多有前途的特性，但为了进一步发展和实际应用，仍有一些现有的挑战需要克服。首先，MXenes表面缺乏终端控制，结构缺陷(如空位)，以及薄弱的复合界面会导致 MXene的机械性能不佳，这是未来需要解决的主要障碍。因此，未来的工作应该集中在创建一个更可控的合成方法，以控制缺陷水平，并比较其不同的功能组。其次，关于电气性能，高度要求 MXene的可调节导电性，这可以通过开发具有不同原子结构和插入层的MXenes来实现。第三，MXenes的光学性能与它们的电子结构有着内在的联系。DFT 计算表明，大多数 Tin+1Xn 具有金属的性质，导带和价带在费米级上重叠。因此有必要进一步研究官能团对光的吸收特性和反射率的影响。第四，应保证热导率和热膨胀系数以满足MXene-based 触觉传感器不断小型化和尺寸化的要求。因此，迫切需要探索更有效的合成方法，控制和优化MXenes的合成形式，这对制备柔性电子器件非常重要。
鉴于过去柔性电子和相关触觉传感器的发展，未来基于MXene 复合材料的柔性电子和触觉传感器的发展主要面临以下挑战: 首先，对基于 MXene 材料的触觉传感器的研究仍处于初始阶段。自2011年发现 T3C2T 二维化合物以来，研究和成熟的基于MXene 的传感器材料较少。目前，只有基于T的MXene 传感器被研究，而其他开发的 MXene 化合物在柔性触觉传感器领域的应用数量相对较少。因此，我们需要进一步研究和开发更多的 MXene 材料在传感器的实际应用。例如，我们可以开发 Nb、V和Mo基MXene，以解决最广泛使用的Ti基MXene 技术的死结。MXenes 的表面含有丰富的末端基团和化学键，很容易与其他物质发生反应。因此，研究 MXene 的原子结构，特别是高度堆积的 MXene 的原子结构，可以开发出更多实际应用的 MXene 材料。氟化剂的高毒性和腐蚀性以及较长的蚀刻时间对人体和环境有潜在的危害，这严重限制了 MXene 材料在可穿戴设备和生物医学领域的应用。因此，有必要探索环境友好和无氟的合成方法，并进一步开发能够准确控制 MXene 形态和终止基团的实验生产方法和生产设备。
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