南京大学赵远锦教授Research：新进展！仿电子皮肤的多形态导电微纤维

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柔性电子领域是近年来的研究热点。南京大学鼓楼医院赵远锦教授团队将微流控技术与柔性电子技术相结合，制备了一种用于电子皮肤柔性传感的多形态微纤维导线。该研究成果以“Morphological Hydrogel Microfibers with MXene Encapsulation for Electronic Skin”为题发表在Research上（Volume 2021 |Article ID 7065907 | https://doi.org/10.34133/2021/7065907）。

研究背景

柔性电子是一种新兴的电子技术，涵盖柔性显示、柔性电池、可穿戴设备、电子皮肤等多个方面。目前，柔性电子领域的发展日新月异，并取得了长足的进步。其中，电子皮肤能够模拟人体皮肤对各种刺激的感知，在人工智能系统、可穿戴健康监测、人机界面和其他领域中的潜在应用已引起了研发人员的极大兴趣。为获得电子皮肤，人们将导电材料集成在可拉伸薄膜中，实现了一系列的电学监测。在诸多新兴导电材料中，MXene作为一类二维早期过渡金属碳化物/碳氮化物，具有亲水表面大、电导率高、导热性好等优势；但这类材料受制于较为简单的结构和形貌，大多数基于MXene构建的电子系统在复杂情况下的性能都不理想。此外，MXene的不可控分散往往使得部分分布于表面的MXene容易受化学添加剂的影响，在一定程度上影响导电性，也影响了它们的实际应用。因此，制造结构精细、形态和MXene分布可控的新型MXene电子系统仍备受期待。

研究现状和展望

最近，受自然界中蜘蛛吐丝现象的启发，赵远锦教授团队提出一种通过微流控纺丝技术制备新型的包裹有MXene的多形态水凝胶微纤维用于柔性电子皮肤传感，如图1所示。微流控技术在微尺度（几十到数百微米）上集成通道系统，并通过设计流体流动通道，控制微量流体的流动方式，实现化学、生物、医学等方面的应用。目前由微流控技术制备得到的微纤维已经实现了许多不同领域的应用，但其在制备包裹有MXene的中空和螺旋形水凝胶微纤维方面鲜有报道，且这些纤维在柔性电子尤其是电子皮肤中的潜在价值仍未被探索。

图 1 多形态导电微纤维用于柔性传感的示意图

本研究中，利用多入射通道的毛细管微流控装置实现多形态水凝胶微纤维的制备，并通过调节各相流速实现对纤维形貌的精细调整，如图2所示。由此产生的具有中空结构的直或螺旋形微纤维可将MXene完全包裹，并对运动和光热刺激具有敏感的反应能力。

图2  多形态微纤维的制备及表征

制备所得的微纤维包裹导电材料（MXene）具有优异的电子传导能力，因此水凝胶微纤维具有良好的导电性。为评估制备得到的导电微纤维作为电子皮肤的实用价值，在对其进行基础电学性能表征后，将其嵌入柔性聚合物薄膜中，作为可拉伸电子元件贴敷于人体关节处用于实时检测关节部位活动，如图3所示。结果发现，这种可拉伸电子元件会根据人体关节处弯曲角度的变化实现不同的电阻变化，证实了微纤维具有灵敏的运动监测能力。

图3  多形态微纤维的运动传感能力

随后，研究团队基于MXene带来的光热甚至光电转换能力，对这种微纤维对光的感知能力进行了探究。若将纤维包裹在热响应性水凝胶PNIPAM中，并使用近红外激光连续照射，水凝胶微纤维会发生相应的温度和电阻变化，如图4所示。结果显示，随着近红外激光照射时间的加长或距离的缩短，微纤维的温度逐渐升高，带动外层 PNIPAM收缩，从而使其导电能力提升。

图4  多形态微纤维的光热/光电转换能力

此外，由于微流控技术的灵活性，通过调整内相导电元素的种类及含量，可以制备具有不同导电性能的微纤维。另外，值得一提的是，纤维核壳结构的设计使纤维内层的导电元素免于外界化学试剂等的干扰，赋予了纤维优异的稳定性、可重复性和耐久性。这些特点证明，所制备的新型包裹有MXene的多形态导电水凝胶微纤维将在可穿戴和便携电子领域，特别是电子皮肤领域具有更广阔的应用前景。

原文链接
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2021/7065907/

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