厦门大学郭文熹教授课题组和重庆大学刘玉菲教授合作 AFM：一种对压力和高频振动灵敏的丝蛋白/聚丙烯酰胺基类皮肤触觉传感器

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伴随着生物集成电子的发展，具有可拉伸、弹性、共形性和生物相容的弹性体吸引了广泛地研究。由于弹性体具有整合电子器件和人体组织的巨大潜力，发展类皮肤性质的功能化弹性体对于可穿戴传感器和电子皮肤的研制至关重要。然而，传统弹性体的高模量和低韧性不能很好的模拟皮肤的机械性能（非线性粘弹性，高韧性，压缩弹性和抗撕裂性），比如PDMS或聚氨酯。在材料优化的基础上，实现弹性体模拟皮肤的触觉感知功能具有重要意义。目前，大部分弹性体通过压阻或电容变化模仿皮肤内的慢适应（SA）感受器，实现了对静态力（拉伸或压力）的传感。然而，对于快适应（FA）感受器所响应的动态力（高频振动）传感却鲜有报道。事实上，仅仅对拉伸或压缩敏感的弹性体不足以实现皮肤所有的触觉感知。

近日，厦门大学郭文熹教授与重庆大学刘玉菲教授课题组合作研究出一种基于丝素蛋白/聚丙烯酰胺（HSF）弹性体且同时对压力和振动灵敏响应的触觉传感器。通过在丝素蛋白溶液中引入丙烯酰胺单体，在表面改性剂（SDS）的作用下，形成由β-sheet，氢键和疏水相互作用交联的双网络水凝胶（图1）。相比于聚丙烯酰胺水凝胶，丝蛋白网络的引入极大地提升了弹性体的拉伸长度（1000 %），强度（0.27 MPa）,弹性（550圈压缩循环）以及抗撕裂性能（9 kJ/m²）（图2）。以HSF弹性体为基础，他们构建了带有微结构的电容型压力传感器用以模拟皮肤的SA感受器。该传感器展示了高的灵敏度（0.4 kPa^-1）,宽的工作范围（0.012-45 kPa）,以及良好的循环稳定性（500圈循环）（图3）。将此SA传感器贴附在人体皮肤上，可以清晰地监测手指、手腕、手臂、吞咽、发声、和脉搏等一系列人体活动（图4）。此外，他们在SA传感器的基础上构建了一种基于单电极纳米发电机的FA振动传感器，从而实现了对高频振动感知（10-400 Hz），将其贴附在手机或马达上可以清晰地检测到它们的振动（图5）。综上，他们通过HSF弹性体模拟了真实皮肤的机械性能和触觉感知功能，证明了其未来在生物集成电子领域如电子皮肤，软体机器人和生物医学器件等方面有着潜在的应用价值。

图1. HSF弹性水凝胶的合成和网络结构

图2. HSF水凝胶的表征和机械性能

图3. HSF-SA压力传感器的性能表征

图4. HSF-SA压力传感器在监测人体运动中的应用

图5. HSF-FA振动传感器的性能和应用

该工作以”A Skin-Like Pressure- and Vibration-Sensitive Tactile Sensor Based on Polyacrylamide/Silk Fibroin Elastomer”为题目发表在《Adv. Funct. Mater.》上，文章第一作者是厦门大学物理科学与技术学院硕士生李胜优，通讯作者为郭文熹教授和刘玉菲教授。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202111747

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