模擬人類皮膚三個基本功能(感知、保護(hù)和體溫調(diào)節(jié))的電子皮膚(e-skin)的發(fā)展對于人機(jī)界面和智能機(jī)器人具有巨大的潛力。然而，現(xiàn)有的研究主要集中在感知上。這項(xiàng)研究提出了一種新的，生態(tài)友好的，機(jī)械堅固的電子皮膚，復(fù)制人類皮膚的三個基本功能。電子皮膚由Ti3C2Tx MXene、聚吡咯和細(xì)菌纖維素納米纖維組成，其中MXene納米片形成基質(zhì)，細(xì)菌纖維素納米纖維充當(dāng)填料，聚吡咯充當(dāng)導(dǎo)電“交聯(lián)劑”。這種設(shè)計允許定制電導(dǎo)率、微結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，集成傳感(感知)、EMI屏蔽(保護(hù))和熱管理(溫度調(diào)節(jié))。最佳的電子皮膚可以有效地感應(yīng)各種運(yùn)動(包括微小的動脈脈沖)，在78微米厚度下實(shí)現(xiàn)63.32 dB的EMI屏蔽效率，并在2.4 V下在30秒內(nèi)將溫度調(diào)節(jié)至129℃，展示了其在復(fù)雜場景下智能機(jī)器人的潛力。
圖 1. (a)電子皮膚準(zhǔn)備過程的示意圖。(b–e)ti 3c 2 tx MXene(b)、細(xì)菌纖維素(c)、PPy@BC (d)和MPB e-skin (e)的TEM圖像。插圖(d):公元前PPy的放大圖。(f–g)MXene(f)和MPB e-skin (g)的SEM圖像。(h)MPB電子皮膚膠片的光學(xué)圖像。(I)電子皮膚橫截面的EDS分析。(j)ti 3 ALC 2 MAX、Ti3C2Tx MXene、BC、PPy@BC和MX/PPy@BC e-skin的XRD圖案。(k)PPy @ BC和MPB e-skin的FTIR光譜。Ti3C2Tx MXene和MPB e-skin的(l，m) C 1s (l)和Ti 2p (m)高分辨XPS譜。MPB-2用于收集圖(j)至(m)所示的數(shù)據(jù)。
圖 2. (a)具有不同MXene比例的不同電子表皮的電導(dǎo)率。(b)具有不同PPy比例的不同電子皮膚的電導(dǎo)率。(c)不同電子皮膚和對照的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(d)具有不同MXene比例和對照的不同電子皮的拉伸強(qiáng)度。(e)具有不同PPy比例和控制的不同電子皮膚的拉伸強(qiáng)度。(f)說明拉伸強(qiáng)度、PPy重量%和BC重量%之間關(guān)系的3D圖。(g)展示電子皮膚在200克重量下的機(jī)械強(qiáng)度的光學(xué)圖像。(h)本研究中的電子皮膚與其他報道的電子皮膚材料的拉伸強(qiáng)度比較。b、d和e部分中的灰色數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)于相應(yīng)的對照。(I)通過在循環(huán)彎曲測試期間點(diǎn)亮一個商業(yè)LED來展示電子皮膚的導(dǎo)電性和柔韌性的光學(xué)圖像。
圖3. (a)說明了電子皮膚在監(jiān)測不同長度尺度的不同人體運(yùn)動方面的多功能性。(b)描述電子皮膚傳感機(jī)制的示意圖。(c–h)分別在手指彎曲、手臂彎曲、腿部彎曲、尺子振動、說“嗨”和“1”到“5”時喉部肌肉運(yùn)動以及手腕脈搏檢測期間，電子皮膚中的實(shí)時電阻變化。
圖 4. (a)電子皮膚的電磁干擾屏蔽效率。(b，c)電子皮膚的EMI集、SEA和SER。(d) EMI SE作為電子外殼中PPy重量%的函數(shù)。(e) EMI SE作為電子皮膚電導(dǎo)率的函數(shù)。(f，g)不同電子皮膚的反射(R)、透射(T)和吸收(A)的功率系數(shù)。(h)經(jīng)過循環(huán)彎曲試驗(yàn)(曲率半徑:1 cm)后，電子蒙皮的EMI SE。(I)e-skins與其他MXene基EMI屏蔽膜的電磁屏蔽性能的比較。紅色的星星，從下到上，分別對應(yīng)于樣品MPB-2到MPB-4。箭頭表示在EMI屏蔽材料中優(yōu)選高EMI SE和低薄膜厚度。(j)電子皮膚的電磁屏蔽機(jī)制。c–g中的灰色實(shí)線是眼睛的向?qū)А?br />
圖 5. (a)說明電子皮膚電氣特性的電流-電壓曲線。(b)電子皮膚在不同驅(qū)動電壓下的溫度響應(yīng)。(c)描繪作為施加電壓的函數(shù)的電子皮膚的溫度的圖。基于焦耳定律擬合了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)(紅色實(shí)線)，揭示了e-皮膚溫度和電壓的平方之間的比例關(guān)系。(d)紅外(IR)圖像，捕捉不同驅(qū)動電壓下電子皮膚的飽和溫度。(e)在2 V的恒定驅(qū)動電壓下，電子皮膚的循環(huán)加熱性能。(f)電子皮膚調(diào)節(jié)“身體”溫度(冷水)能力的演示。光學(xué)圖像(左側(cè))顯示了與“身體”接觸的電子皮膚，紅外圖像(右側(cè))描繪了在1.8 V驅(qū)動電壓下“身體”溫度的時間演變。
相關(guān)科研成果由同濟(jì)大學(xué)Wei Lu，Bin Yuan，Xiang Li等人于2024年發(fā)表在Nano Letters（https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02583）上。原文：Robust and Environmentally Friendly MXene-Based Electronic Skin Enabling the Three Essential Functions of Natural Skin: Perception, Protection, and Thermoregulation
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02583
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
