近年來,作為人工智慧(AI)、軟體機器人、健康監測等媒介的智慧皮膚備受關注。智慧皮膚被認為是超敏感自供電的並且希望賦予皮膚視覺上感知刺激的能力。雖然已經開發了幾種基於Ti3C2Tx(MXene)-應變/壓力感測器的智慧皮膚,但這些傳感能力與設備中MXene的氧化現象之間的差异極大地限制了這些智慧皮膚的應用。機械發光(ML)能够在不同變形下改變顏色或亮度,通過機械訊號的視覺化,在精密緊急的醫療或安全相關行業具有巨大潜力。此外,摩擦納米發電機(TENG)通過接觸帶電和靜電感應將機械能轉化為電能,已被證明在能量收集和自供電傳感方面具有良好的應用前景。然而,製備一種內在集成上述特性的一體式智慧皮膚仍然是一個巨大的挑戰。
鑒於此,鄭州大學申長雨院士、劉春太教授、代坤教授和中國科學院北京納米能源與系統研究所潘曹峰研究員開發了一種超靈敏的自供電機械發光智慧皮膚(SPMSS)。受益於基於Ti3C2Tx(MXene)/碳納米管協同相互作用的獨特應變相關微裂紋結構設計,SPMSS具有優异的應變傳感效能,包括超低檢測限(0.001%應變)、超高靈敏度(應變係數、GF=3.92×107)、超快回應時間(5ms)以及卓越的耐用性和穩定性(>45000次迴圈)。同時,SPMSS在拉伸下表現出可調且高度敏感的ML特徵。重要的是,SPMSS作為摩擦納米發電機(4×4cm2)表現出優异的效能,包括超高摩擦電輸出(開路電壓VOC=540V,短路電流ISC=42µA,短路電荷QSC=317nC)和功率密度(7.42W m-2),賦予智慧皮膚可靠的電源供應和自供電感應能力。這種仿生智慧皮膚在健康監測、視覺傳感和自供電傳感方面具有多功能應用。相關工作以“Bioinspired Multifunctional Photonic-Electronic Smart Skin for Ultrasensitive Health Monitoring,for Visual and Self-Powered Sensing”為題發表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。
資料結構設計和應變傳感效能
作者選用聚氨酯(TPU)為基材層,商用螢光劑(FA)為高效螢光資料。將不同質量比的FA與TPU混合,通過靜電紡絲製備一系列螢光氈(TFM)。4% TFM具有優异的螢光效能和優异的拉伸性(792%應變)。分層的MXene納米片呈現出超薄結構。為了增强電效能,選擇穩定的CNT墨水與MXene組裝,然後通過在4% TFM上噴塗1D CNT/2D MXene導電油墨來構建SPMSS(圖1)。SPMSS的橫截面表現出良好的夾心結構,預處理後獲得像蜘蛛縫器官一樣的多尺度鋸齒狀微裂紋。SPMSS基於應變依賴的微裂紋結構在拉伸下顯示可調ML特性,並表現出羽量級特徵和良好的柔韌性。通過檢測相對電阻變化來表徵不同MXene/CNT含量的SPMSS的機電效能(圖2)。在1000 mm min-1的拉伸速度下實現了5 ms的快速回應/恢復時間。在5%的較大應變下經過45000次拉伸釋放迴圈後表現出顯著的長期耐久性和穩定性。
圖1.資料結構設計
圖2.SPMSS的應變傳感效能和機理
SPMSS用於視覺傳感的ML特性和能量收集的TENG特性
SPMSS表現出快速可逆的應變相關光學特性(圖3)。由於MXene/CNT層良好的紫外線遮罩能力,在初始狀態下沒有觀察到可見螢光,SPMSS上黃色螢光的亮度隨著應變的新增而逐漸增强。不同FA的SPMSS充分拉伸顯示出不同的螢光顏色(紅色、黃色、藍色和綠色)。SPMSS的3D發射螢光光譜在1000次拉伸釋放後具有幾乎一致的特性。SPMSS在能量收集和自供電傳感方面表現出優异的TENG特性(圖4)。表現出超高摩擦電輸出(開路電壓VOC=540V,短路電流ISC=42µA,短路電荷QSC=317nC)和優异的功率密度(7.42W m-2)。這些結果表明SPMSS對不同的壓力和頻率表現出優异的響應行為,可應用於自供電觸覺傳感。
圖3.用於視覺傳感的SPMSS的可調諧ML光學特性
圖4.用於能量收集的SPMSS的TENG效能
SPMSS在視覺傳感、健康監測和自供電傳感中的應用
為了同時實現SPMSS的應變傳感和訊號視覺化,通過在志願者的手指上集成SPMSS來演示即時監測(圖5)。SPMSS的發光強度和ΔR/R0隨著彎曲角度的新增同時新增顯示了人工智慧的巨大潜力。此外,將SPMSS固定在一名24歲健康男性志願者的不同動脈脈搏位置上進行健康監測。結果顯示SPMSS能够精確量測肱動脈和橈動脈的脈搏波形。在自供電傳感應用中,SPMSS陣列的輸出電壓隨著手指觸摸壓力和頻率的新增而明顯上升,表現出良好的觸摸感。當手指放在自供電觸覺傳感陣列的不同接觸位置時,可以採集相應傳感單元的輸出電壓,精確揭示手指觸摸軌跡。
圖5.SPMSS在視覺傳感、健康監測和自供電傳感中的應用
小結:作者成功開發了一種超靈敏自供電ML智慧皮膚。SPMSS具有超靈敏的傳感效能極限、超高靈敏度和超快響應的特性。SPMSS還被設計為在表現出ML特性時高度敏感。這些卓越的能力賦予了SPMSS通過實时獲取生理參數來精確監測健康狀況的能力,並通過清晰可辨的發光訊號視覺感知不同的手勢。TENG特性可產生可靠的電源供應以永續地驅動電子設備。SPMSS陣列很容易貼合人體皮膚,可用於收集生物力學能量、觸覺感知和不同目標物體的空間映射。該研究為製造具有高性能應變傳感、可調光學特性和可靠電源的多功能智慧皮膚鋪平了道路。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102332
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