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最新消息| 潘麗坤:電子皮膚應變傳感器的方向感知和超快自修復雙網絡水凝膠 | 2021-06-09 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"https://baijiahao.baidu.com/s?id=1687787946561110306&wfr=spider&for=pc" Hydrogel發布時間：01-0223:06【科學摘要】作為人工智能的重要組成部分，電子皮膚近來受到越來越多的關注。然而，兩個嚴重的問題，緩慢的自我修復和缺乏方向識別，在很大程度上限制了電子皮膚的發展。最近，華東師范大學潘麗坤教授團隊首次報道了一種雙網絡柔性水凝膠，該凝膠是通過將聚乙烯醇（PVA）和聚乙烯亞胺（PEI）與4-甲酰基苯硼酸（Bn）交聯形成聚合物網絡，然后將MXene摻入到聚合物中而合成的聚合物網絡。由于多個可逆的動態共價鍵和超分子相互作用的協同作用，PVABnPEIMXene（PBPM）水凝膠顯示了方向感知和超快的自修復能力（自修復時間約0.06 s）以及快速響應性能（信號響應時間約為0.12 s）。此外，通過使用PBPM水凝膠組裝的電子皮膚應變傳感器不僅可以有效地檢測假肢的不同部位的運動，而且可以具體地識別包括頭朝下向上和腕部朝下向上的運動方向。這項工作中的柔性PBPM水凝膠在人造皮膚，軟機器人，健康監測和人機交互界面的應用中顯示出巨大潛力。【圖文解析】PBPM水凝膠的結構設計和組成表征PBPM水凝膠是通過將導電MXene摻入由Bn交聯PVA和PEI形成的雙網絡水凝膠結構中而制備的，如圖1所示。由于Bn同時具有甲酰基和硼基，因此可以形成動態可逆的亞胺鍵 并與PVA和PEI形成硼酸酯鍵，從而構建水凝膠骨架結構。簡而言之，通過物理混合將溶于乙醇的Bn和PEI緩慢添加到含有MXene的均相PVA溶液中，并在80°C下連續加熱直到乙醇完全蒸發。最后，通過冷卻至室溫獲得水凝膠。圖1PBPM水凝膠的合成和結構示意圖。對PBPM-2水凝膠進行了一系列表征實驗，結果如圖2所示。SEM圖像（圖2a，b）顯示水凝膠顯示出多孔結構，這與水的蒸發有關。反應中引入乙醇和MXene骨架。在圖2c中，FT-IR光譜中1644 cm-1和1365 cm-1處的特征峰分別歸因于C=N拉伸振動和B–O–C非對稱拉伸振動，證明了亞胺和硼酸根 在聚合物網絡中形成部分。3356 cm-1和3278 cm-1之間的特征峰與–NH和–OH拉伸振動有關。圖2d顯示了PBPM-2水凝膠的XPS調查光譜，證明了水凝膠中存在C，N，O和B元素。在圖2e中，PBPM-2水凝膠的XPS C 1s光譜顯示了五個化學狀態，分別對應于C–B（284.19 eV），CC–CC = C（284.78 eV），C=N（283.59 eV） ，C–OC–N（285.68 eV）和C = O（286.02 eV）鍵。圖2f所示的XPS N 1s譜圖顯示存在C雙鍵，長度分別為m-點N和C-N鍵，分別位于398.9 eV和399.4 eV。可以從O觀察到歸因于C=C四個結合能分別為530.52 eV，531.81 eV，532.53 eV和533.55 eV，長度為m-O，B-OH，C-OH和B-O-C鍵圖2g中的1s光譜。如圖2h所示，在188.38、190.69和193.5 eV處的低結合能歸因于B-C，B-OC和B-OH的鍵合。圖2（a，b）PBPM-2水凝膠的SEM圖像。（c）PVA-PEI，PBP和PBPM-2水凝膠的FT-IR光譜。（d）XPS調查，（e）PBPM-2水凝膠的C 1s，（f）N 1s，（g）O 1s，（h）B 1s光譜。PBPM基于水凝膠的應變傳感器電子皮膚如圖3a所示，當肘部彎曲成不同的角度時，RRC將相應地改變。隨著彎曲角度變大，應變傳感器的電阻和RRC都會增加。此外，當肘關節屈曲逐漸恢復時，RRC逐漸恢復到其原始值。同樣，作者還評估了圖3b中膝蓋運動的傳感性能。肘部和膝蓋運動的明顯不同的應變感測范圍為特定識別運動提供了可能性。在這種情況下，根據RRC隨時間的曲線，可以輕松地區分不同身體部位的運動。如上所述，PBPM基于水凝膠的應變傳感器不僅可以判斷身體部位的運動及其幅度，還可以識別運動方向，例如手指彎曲，頭朝下上和腕下往上的運動在圖3c中。彎曲頭部時，PBPM-2基于水凝膠的應變傳感器的電阻增加，并且RRC沿正方向增強。但是，當抬起頭時，電阻減小，并且RRC沿負方向增加，表明抬頭的向下向上動作會使傳感器沿相反的方向響應。因此，可以通過RRC隨時間的變化來區分頭部運動的方向，從而突出了PBPM水凝膠在電子皮膚中的廣闊前景。值得注意的是，如圖3和圖4所示，基于PBPM-2的傳感器可用于靜態和動態地監視模型人員關節的變化。圖3 PBPM-2水凝膠作為一種柔性的電子皮膚應變傳感器，直接連接到義肢的每個關節上，以模擬對人體真實運動的檢測。作為（a）肘部傳感器和（b）膝蓋傳感器，以靜態（階躍曲線）和動態（波動曲線）檢測假肢運動的不同角度。（c）作為腕部傳感器，可靜態（階躍曲線）和動態（波動曲線）檢測假肢運動的不同方向和角度。圖中的度數表示假肢每個關節的彎曲角度。圖4PBPM-2水凝膠作為一種可感知方向的柔性電子皮膚應變傳感器，用于判斷頭部運動。頭朝下和頭朝上分別對應于正方向和負方向。圖中的度數代表假體頭部的彎曲角度。值得注意的是，基于PBPM水凝膠的應變傳感器不僅可以檢測到人體的大動作，而且可以區分出細微的動作。PBPM-2水凝膠被進一步用于感測人手指的書寫運動，結果如圖5所示。與傳統的基于水凝膠的傳感器相比，基于PBPM水凝膠的傳感器真正模仿了人類的皮膚來感知書寫，取而代之的是 將水凝膠放在電子白板上以進行書寫識別的過程。由于手寫的獨特特征（包括人的手指的應變和書寫方向），PBPM-2基于水凝膠的傳感器可以產生不同的特征電信號，以輕松地區分不同的書寫字母，例如“ a，b，C，D， E，F，N和U”，如圖5i所示。有趣的是，當重復寫相同的字母時，特征信號保持良好的可重復性和穩定性，從而為電子皮膚提供了PBPM水凝膠的多功能潛力。圖5PBPM-2水凝膠作為用于人體書寫檢測的柔性電子皮膚應變傳感器。（a–h）對不同字母書寫的信號響應。（i）實時手寫的RRC曲線。作為電子皮膚的超快自修復能力自修復是電子皮膚的關鍵特征。PBPM水凝膠由于其動態共價鍵和超分子相互作用而具有超快的自愈能力，可以在損傷后恢復其機械性能和導電性。Bn作為PVA的羥基與PEI的氨基之間的交聯劑，形成動態的硼酸酯和亞胺鍵，構成了水凝膠的基本骨架，這負責水凝膠的自愈能力。此外，PVA，PEI和MXene之間容易形成超分子相互作用，這在水凝膠的自愈中也起著重要作用。作者進行了一系列實驗，以驗證PBPM-2水凝膠在室溫下的自愈能力，其結果如圖6所示。從圖6a可以看出，在電氣自愈過程中，電流會隨著時間的流逝而變化。當PBPM-2水凝膠完全斷開時，電流從穩態急劇下降到開路狀態。一旦將兩個斷線連接起來，電流將迅速返回其原始值。值得注意的是，PBPM-2水凝膠僅需約0.06 s即可恢復其原始電性能（圖6a的插圖），與其他已報道的基于水凝膠的應變傳感器相比，這大大縮短了自修復時間。此外，作者設計了由自愈PBPM-2水凝膠和藍色LED指示器串聯組成的電路，以在圖6b的電氣性能方面展示出良好的自愈能力。當PBPM-2水凝膠被切斷時，LED燈立即熄滅。但是，在自愈后重新連接水凝膠時，發現LED燈立即亮起。此外，進行了自愈后的機械拉伸實驗，其結果在圖6c中示出。將水凝膠切成兩小塊，再將兩塊連接時，水凝膠可恢復優異的拉伸性能且不會斷裂，這表明其優異的快速自愈能力，并突出了其在電子皮膚和其他柔性電子產品中的潛力。設備。原因應該是由于多個可逆的動態共價鍵和水凝膠的超分子相互作用的協同作用。圖6（a）通過實時電流測量，PBPM-2水凝膠的自愈過程的時間演變。插圖顯示自我修復時間。（b）由自愈PBPM-2水凝膠和藍色LED指示器串聯組成的電路，用以展示電氣性能方面的自愈。（c）PBPM-2水凝膠在自愈后的拉伸實驗，以表征其機械性能的恢復能力。出色的可回收性和可模塑性PBPM水凝膠還具有出色的可回收性和可模塑性。PBPM水凝膠無需處理即可直接重復使用，在實際應用中顯示出很高的便利性。除了具有良好的可回收性外，PBPM-2水凝膠還可以通過使用不同的成型模具，通過簡單的壓模工藝將其重塑成不同的形狀，如圖7所示。圖7使用PBPM-2水凝膠作為原材料，通過簡單的壓模工藝，使用不同的成型模具，獲得了不同的形狀。參考文獻：DOI: 10.1039D0TA08987G版權聲明：「水凝膠」是由專業博士（后）創辦的非贏利性學術公眾號，旨在分享學習交流高分子聚合物材料學的研究進展。上述僅代表作者個人觀點且作者水平有限，如有科學不妥之處，請予以下方留言更正。如有侵權或引文不當請聯系作者修正。商業轉載請聯系編輯或頂端注明出處。感謝各位關注！舉報反饋 關鍵字標籤：人工皮品牌 |
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