扬州大学高强团队 CEJ：湿法纺丝制备具有类皮肤三层核壳结构Ag/AgCl/PEDOT: PSS复合纤维用于触觉传感器

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人类每天都会通过皮肤与世界互动，我们可以通过皮肤感知外力、形变、气流等诸多物理刺激。柔性触觉传感器可以通过将这些物理刺激转换为电信号来模拟人类皮肤对外界的感知。例如，柔性触觉传感器可以为触觉受损的患者提供物体的触觉反馈，帮助他们感知物体属性、运动以及相对位置等信息。近年来，对柔性触觉传感器的研究不仅集中在提高材料本身的性能，越来越多的研究人员开始通过设计新颖的结构或复合多功能材料来提高传感器的性能。在各类柔性触觉传感器中，基于导电纤维制备的柔性触觉传感器脱颖而出，这是由于纤维基柔性传感器作为可穿戴设备具有灵活、透气、重量轻等优势。PEDOT: PSS在室温下具有高电导率，且能通过湿法纺丝技术制备连续纤维，但传统PEDOT: PSS导电纤维存在需要掺杂提高电导率、灵敏度低等问题，这极大地阻碍了PEDOT: PSS导电纤维作为新一代柔性电子器件电极的发展。

受人类皮肤结构的启发，扬州大学高强副教授团队在前期研究基础(Surface engineering via self-assembly on PEDOT: PSS fibers: Biomimetic fluff-like morphology and sensing application, Chem. Eng. J. 425 (2021) 131551)上发展了一种独特且简单的策略来制备具有三层核壳结构的Ag/AgCl/PEDOT: PSS导电复合纤维(图1)。即通过特殊的银镜反应(羟基脲作还原剂)调控PEDOT: PSS纤维表面有序生成氯化银衔接过渡层与银纳米粒子层，金属银与PEDOT: PSS的结合赋予复合纤维超高的电导率(5.2×10⁴ S·cm^-1)以及卓越的灵敏度(5.12 kPa^-1)。值得一提的是，复合纤维的表面并非光滑的银层，而是由银纳米粒子密集堆叠而成的纳米层，同时银纳米粒子间有聚合物衔接锚固，形成了稳定的海岛结构(图2、图3)。

图1. (a)Ag/AgCl/PEDOT: PSS复合纤维湿纺工艺示意图；(b)人体皮肤结构示意；(c)复合纤维多层核壳结构示意图；复合纤维(d, e)表面及(f, g)截面SEM图像；(h)滚筒上收集的连续复合纤维；(i)复合纤维用作导线点亮LED灯泡；(j)复合纤维用于电子织物；(k)复合纤维在仿生器件中的潜在应用。
 
图2. (a)PEDOT: PSS纤维不同阶段的形貌变化；(b)多层核壳结构自发组装机理示意图；(c)复合纤维在不同阶段表面形貌的SEM图像；(f-h)复合纤维截面上银纳米颗粒的生长过程。 
图3. Ag/AgCl/PEDOT: PSS复合纤维的(a)表面及(b)截面SEM图像；S、Cl、Ag、Cu元素在复合纤维(c-f)表面及(g-j)截面EDS图谱。

更有趣的是，得益于三层核壳结构，复合纤维在不同压力下表现出完全不同的双向电阻响应特性(图4、图5)。即受到小压力(<18000 Pa)时纤维电阻上升，当受到大压力(>18000 Pa)时纤维电阻下降，这一特点可增加触觉传感器信号的丰富度。同时，温度(光照)也是可以引起纤维电阻变化的因素(图6)。基于以上特点，复合纤维可以作为可穿戴纤维基触觉传感器，他们通过抓举物体和物体重力传感等探索了其潜在应用。

 
图4. (a)编织的Ag/AgCl/PEDOT: PSS复合纤维示意图；(b)电阻变化测量系统示意图；(c)数据收集系统2D编码图；(d)复合纤维测量压力空间分布示意图；(e)复合纤维小压力状态传感性能；(f)复合纤维对微小压力（羽毛）传感性能；(g)复合纤维响应时间；(h)复合纤维集成到织物中用于实际抓取感知。 
图5. (a)Ag/AgCl/PEDOT: PSS复合纤维大压力状态下传感性能；(b)复合纤维不同频率下实时电阻变化；(c)复合纤维在不同压力下的表面结构变化示意图；(d-f)不同压力下复合纤维电阻变化引起的LED灯泡亮度变化对比图。 
图6. (a)Ag/AgCl/PEDOT: PSS复合纤维受光照示意图；(b)不同距离下的复合纤维电阻变化；(c)复合纤维响应时间(D=20 cm, T=50 ℃)；(d)复合纤维在固定条件(D=20 cm, T=50℃)100个开关灯周期传感性能循环；(e)复合纤维用于仿生手臂感应压力与温度的概念应用示意图。

综上所述，这项工作采用了独特的纺丝工艺来制备具有类皮肤三层核壳结构的Ag/AgCl/PEDOT: PSS复合纤维，所得的复合纤维具有高电导率、高灵敏度、低阻抗、低检测限、响应时间快等特点。双向电阻响应特性极大地增加了复合纤维响应信号的丰富度，使其有望用于仿生手臂、人机交互等新一代柔性电子产品。

相关成果以“Three-layer core-shell Ag/AgCl/PEDOT: PSS composite fibers via a one-step single-nozzle technique enabled skin-inspired tactile sensors”为题发表在《Chemical Engineering Journal》（IF=13.273）。扬州大学化学化工学院硕士研究生王宇航为论文的第一作者，通讯作者为扬州大学化学化工学院高强副教授。该研究得到了国家自然科学基金的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136270

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