南京大学金钟、刘杰教授课题组在透明柔性电子皮肤方面取得新进展
南京大学化学化工学院金钟教授和刘杰教授带领的“先进能源材料与器件研究团队”在柔性电子皮肤方面取得重要进展，在Advanced Functional Materials杂志上发表题为“Versatile Electronic Skins for Motion Detection of Joints and Fingers Enabled by Aligned Few-Walled Carbon Nanotubes in Flexible Polymer Composites”的论文。副研究员朱红飞博士为论文第一作者。中科院苏州纳米所的陈立桅研究员和李清文研究员、新加坡南洋理工大学刘政教授等合作参与了此项研究。
人体皮肤的神奇之处在于其具有多种传感特性，能从周围复杂的环境中感知各类信息。模仿人类皮肤的多功能的电子皮肤将为人体生理信号实时检测、便携式灵敏检测器、人机通信界面、仿生机器人部件等应用提供多种可能性。想象一下，如果你能通过改变手指的姿势，来控制一架直升机的飞行，那是一件多么奇妙的事情。由此可见，开发对弯曲和拉伸敏感的多功能柔性电子皮肤，能够为研发智能机器与外界环境的交流系统起到关键作用，也是未来生物机器人最重要的部件之一。
图1. （a）柔性电子皮肤的制备过程。（b）覆盖在透明柔性基底上的少壁碳纳米管取向阵列。（c）少壁碳纳米管取向阵列的SEM照片。（d）已蒸镀电极的透明柔性电子皮肤。
为了设计高灵敏度的柔性电子皮肤，研究人员设计了一种基于少壁碳纳米管取向阵列/高分子复合薄膜的通用器件结构，能够监测人体关节的弯曲以及拉伸情况。在柔性高分子基底上平铺一层少数壁碳纳米管取向阵列的透明薄膜，再涂覆一层超薄的弹性高分子以形成表面光滑的碳纳米管复合材料，蒸镀上电极后即完成柔性电子皮肤的制备（图1）。测试弯曲电子皮肤的在不同电压下的电学特性，显示其为欧姆特性，而且电流大小与电子皮肤的弯曲角度呈现出高灵敏度、高度可重复的线性响应（图2a,b），即使弯曲上万次仍能保持良好的性能。
图2.（a, b）柔性电子皮肤在不同弯曲角度下的电学信号响应。（c）少壁碳纳米管取向阵列（AFWCNT）和随机分散碳纳米管（RCNT）的高分子复合薄膜具有不同的导电方式和对弯曲角度不同的响应特性；（d, e）Van Der Pauw方法测试少壁碳纳米管取向阵列和随机分散碳纳米管的高分子复合薄膜异向电学性质的示意图、光学照片图和相邻电极之间的电压降差异。
有趣的是，研究人员发现，没有覆盖高分子涂层的碳纳米管取向阵列对弯曲并不敏感；同样，随机分散的碳纳米管薄膜器件，无论有无高分子涂层都对弯曲没有响应。这种灵敏度的差异是由于不同材料之间的界面导电特性的不同所造成的。在少壁碳纳米管取向阵列/高分子复合薄膜中，高分子的引入导致了电子皮肤的弯曲会显著地改变碳纳米管之间的界面电阻，而这种效应在随机分散的碳纳米管/高分子复合薄膜中是无法实现的（图2c）。研究人员用Van der Pauw方法检测了碳纳米管取向阵列/高分子复合薄膜的各向异性电学特性，以及随机分散碳纳米管/高分子复合薄膜的各向同性电学特性，证明了这种机理的存在（图2d,e）。
图3.（a）弯曲敏感传感器置于手指部位的光学照片图；（b）弯曲敏感电子皮肤监测手指弯曲和伸直时的电流变化-时间图；（c）基于PDMS基底的Au/PDMS/AFWCNT/Au拉伸敏感电子皮肤；（d）拉伸敏感电子皮肤在拉伸变形30%~200%下的电阻变化-时间图。
研究人员将柔性电子皮肤贴在手指关节部位上，可以用来非常迅速、灵敏地检测手指弯曲和伸直的状态变化（图3a,b）。此外，如果采用弹性硅橡胶作为透明柔性基底，还可以制备同样对拉伸敏感的电子皮肤（图3c,d），对拉伸应力具有高灵敏度、检测范围宽、性能稳定等优点。这些功能在可穿戴人机通信接口、人体生理信号检测、仿生机器人部件、便携式运动检测器等方面都有潜在的应用前景。
该研究工作得到了青年千人计划、国家973计划、重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的资助。
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来源：南京大学化学化工学院
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