南方科技大學(xué)提出皮膚-電極界面?zhèn)鞲心Ｊ?/h1>

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來(lái)源：MEMS

日期：2021-08-24 09:18:32

摘要：近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授郭傳飛團(tuán)隊(duì)在柔性傳感技術(shù)研究方面取得進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：傳感模式電極界面

近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授郭傳飛團(tuán)隊(duì)在柔性傳感技術(shù)研究方面取得進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)提出了“皮膚-電極界面?zhèn)鞲心Ｊ健?，通過(guò)簡(jiǎn)單地在皮膚表面貼附電極即可實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高分辨率的觸覺(jué)傳感功能，為人體表皮傳感技術(shù)和可穿戴電子技術(shù)領(lǐng)域提供了一種全新的思路，相關(guān)論文以“Skin-Electrode Iontronic Interface for Mechanosensing”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Nature Communications。

人體皮膚具有觸覺(jué)感知功能，可以感受到外界的力刺激，是人類與外界交互的重要器官。然而，一部分人群可能因?yàn)榛疾』蛏窠?jīng)受損等原因喪失部分觸覺(jué)功能，因此，需要開(kāi)發(fā)一種表皮傳感器件，幫助觸覺(jué)功能障礙的人群恢復(fù)觸覺(jué)。除了以上需求，人類還需要表皮電子器件或可穿戴設(shè)備采集人體生理信號(hào)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體健康狀態(tài)。但已有的傳感器通常為多層結(jié)構(gòu)，其中一種靈敏度極高的離-電型器件通常需要用到一層離子凝膠或水凝膠材料，這層離子材料可以和電極之間形成雙電層，從而提供極高的界面電容密度。但是，離子凝膠往往具有毒性，而水凝膠則容易脫水。此外，多層的器件結(jié)構(gòu)難以在皮膚上長(zhǎng)期穩(wěn)定貼附，透氣性不好，可能會(huì)帶來(lái)皮膚炎癥等問(wèn)題。因此，在人體表面貼附電子皮膚往往不具有實(shí)用性。

研究團(tuán)隊(duì)提出的“皮膚-電極界面?zhèn)鞲小备拍?，直接用人體皮膚作為觸覺(jué)傳感器的活性材料。人體皮膚是一種天然水凝膠，它能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的離子導(dǎo)電性。通常，人體皮膚表面的多孔角質(zhì)層和汗液形成一層天然的含水多孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)電極與皮膚接觸時(shí)，電極中的自由電子和皮膚汗液里的離子可形成離-電界面，其電容的大小由電極和皮膚的接觸面積決定。因此，在上述電極中引入微結(jié)構(gòu)，其受壓電極和皮膚之間發(fā)生接觸面積變化，通過(guò)測(cè)量電容即可獲取壓力信息。

這種皮膚-電極界面?zhèn)鞲薪Y(jié)構(gòu)的靈敏度最高可達(dá)到11.8 kPa?1，超過(guò)了多數(shù)報(bào)道的電子皮膚。這使得它能夠靈敏地感應(yīng)體外的壓力刺激信息以及人體內(nèi)微弱的生理信號(hào)，例如，它可以探測(cè)到指尖脈搏中豐富的細(xì)節(jié)信息。這種傳感器的信號(hào)非常穩(wěn)定，即使出汗也能準(zhǔn)確地測(cè)出脈搏信號(hào)。另外，這種傳感器具有很好的抗干擾能力，日常運(yùn)動(dòng)包括走路和擺臂都不會(huì)影響壓力信號(hào)的提取，相反，器件還能記錄到人體的運(yùn)動(dòng)信息。

此外，這種皮膚-電極界面?zhèn)鞲心Ｊ揭部梢杂糜诳纱┐髟O(shè)備。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于這種界面?zhèn)鞲性淼闹悄苁痔?，它可靈敏地測(cè)試出抓取過(guò)程中手指和手掌各部分的壓力分布。這種智能手套有望用來(lái)幫助觸覺(jué)功能障礙的人群恢復(fù)觸覺(jué)功能。

南科大材料科學(xué)與工程系研究助理朱胖、碩士生侯星宇，以及來(lái)自于麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系博士生杜匯豐為該論文的共同第一作者。郭傳飛和麻省理工學(xué)院教授方絢萊為文章的共同通訊作者，南科大是論文第一單位。

該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省珠江人才計(jì)劃創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)、深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究項(xiàng)目等基金的資助。