用于人體動作捕捉和壓力映射的可拉伸電子皮膚

近年來，柔性可穿戴電子產(chǎn)品因其在健康監(jiān)測、運動檢測和人機界面等領域的應用前景而備受關注。壓力傳感器作為一種傳統(tǒng)的換能器，在過去的幾十年里已經(jīng)得到了深入的研究。根據(jù)其結(jié)構和原理，壓力傳感器主要分為壓阻式、壓電式和電容式三大類。其中，壓阻式壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換為電阻信號，具有成本低、靈敏度高、信號采集方便和傳感范圍寬等優(yōu)點，因此已有廣泛研究和報道。此外，通過與柔性襯底和先進功能材料的集成，壓阻式壓力傳感器在電子皮膚（E-skin）領域占有重要地位。

柔性襯底、導電電極和活性傳感材料是制造可穿戴壓阻式壓力傳感器的關鍵。聚二甲基硅氧烷（PDMS），又稱有機硅，是應用最廣泛的柔性襯底之一。通過與可拉伸蛇形電極集成，硅基柔性電子器件具有較高的柔韌性和可拉伸性，適用于可穿戴壓阻式壓力傳感器。MXene是于2011年首次得到研究的一類由層狀過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物構成的新型二維材料。由于其優(yōu)異的導電性、層狀結(jié)構和可調(diào)諧的表面性質(zhì)，MXenes已經(jīng)被應用于各種領域，例如儲能、光電器件和電致變色器件等。然而，作為二維材料，原始MXenes由于其易于重新堆疊和橫向尺寸小的缺點，不適合在柔性電子中應用。為了解決這些限制，引入了基于Mxenes的復合材料。通過將MXenes與其它材料組裝在一起，可以將二者優(yōu)異的性能結(jié)合起來，并彌補彼此的缺點。因此，基于Mxenes的復合材料是具有前景的制造可穿戴電子產(chǎn)品的活性傳感材料。

石墨烯是一種含有單層碳原子并且呈六邊形晶格結(jié)構的二維材料，自首次通過石墨的反復剝落而機械剝離以來，已經(jīng)被廣泛研究。石墨烯在室溫下具有優(yōu)異的電子遷移率，并且具有高柔韌性和高導熱性以及良好的透明度。所有這些非凡的特性吸引了研究人員的注意力，并將其應用于導電電子學、柔性場效應晶體管、光電探測器和生物傳感器等領域。近期，石墨烯已經(jīng)被用于制造柔性傳感器。Ecoflex是一種具有低粘度、超柔韌性和優(yōu)異拉伸性能的橡膠，是制造電子皮膚的良好候選材料。通過將MXene、石墨烯和Ecoflex混合，可以得到MXene/石墨烯/Ecoflex（MX/Gr/EF）復合材料，該復合材料具有優(yōu)異的電學性能和高柔韌性。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自香港城市大學（City University of Hong Kong）的研究人員開發(fā)了一種皮膚貼合的電子皮膚（E-skin）。該電子皮膚采用柔性聚二甲基硅氧烷襯底，集成了蛇形銅（Cu）電極，并且采用MX/Gr/EF復合材料作為活性傳感材料，從而保證了傳感器的柔韌性和可拉伸性。相關研究成果以“Skin-Integrated, Stretchable Electronic Skin for Human Motion Capturing and Pressure Mapping”為題發(fā)表在Advanced Sensor Research期刊上。

圖1 輕薄柔韌的電子皮膚

該研究開發(fā)的電子皮膚不僅可以感知壓力信號，還可以感知應變變化。此外，研究人員在132 kPa壓力和1 Hz頻率下對該電子皮膚進行了循環(huán)測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使在132 kPa的壓力下連續(xù)擊打超過700次，該電子皮膚仍然完好無損，依舊可以工作。

圖2 該電子皮膚的電學性能

此外，該電子皮膚與人體皮膚相容性好，靈敏度高，并且能夠很好地附著在人體皮膚上。而且，只需將其固定在手背上，就可以檢測到手指的彎曲角度。同時，該電子皮膚可以感知細微的人體活動，比如眨眼。

圖3 用于人體動作捕捉的電子皮膚

最后，研究人員制作了一個4 × 4陣列電子皮膚來實現(xiàn)壓力映射功能。如圖4A所示，該4 × 4陣列電子皮膚模擬了單個電子皮膚的結(jié)構，其底部的聚二甲基硅氧烷襯底集成了蛇形陣列的銅電極，并且覆蓋了MX/Gr/EF復合材料作為傳感材料，最后封裝了一層薄薄的聚二甲基硅氧烷。該陣列式電子皮膚的尺寸為75 mm × 50 mm × 1 mm，由16個單元組成，每個單元有一個面積為5 mm × 5 mm的傳感區(qū)域，與單個電子皮膚具有的傳感面積相同。如圖4B所示，該陣列式電子皮膚可以很好地貼合在人體皮膚上，并且在拉伸、彎曲或扭轉(zhuǎn)下都表現(xiàn)出良好的柔韌性和拉伸性。此外，該陣列式電子皮膚可以用于壓力映射，如圖4C所示。研究人員用手指在陣列式電子皮膚上輕敲“CITYU”的圖案，結(jié)果顯示出0.33左右的電阻變化響應率，這與人類手指輕敲單個電子皮膚時的響應率一致，如圖4D ~ 4F所示。

圖4 4 × 4陣列電子皮膚

綜上所述，該研究制造了一種皮膚貼合的、可拉伸的壓阻式電子皮膚。該電子皮膚可以同時用于拉伸和壓力的傳感，并且具有廣泛的傳感范圍。通過將其配置在人體皮膚上，該電子皮膚不僅可以感知人類的動作，例如觸摸、敲擊、擊打和手指彎曲等，還可以感知人類細微的動作，如眨眼。此外，通過與陣列結(jié)構集成，該電子皮膚還具有應用于壓力映射領域的潛力。

審核編輯：劉清