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  近日，東華大學(xué)紡織科技創(chuàng)新中心俞建勇院士和丁彬研究員帶領(lǐng)的納米纖維研究團(tuán)隊(duì)在核殼結(jié)構(gòu)壓電纖維電子皮膚研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以《關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和觸覺感知用形狀高度自適應(yīng)性纖維基電子皮膚》(Highly shape adaptive fiber based electronic skin for sensitive joint motion monitoring and tactile sensing, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104429)為題，發(fā)表于國際著名期刊《納米能源》(Nano Energy)。東華大學(xué)為唯一完成單位，該論文第一作者是材料學(xué)院博士生朱苗苗，共同通訊作者為丁彬研究員和李召嶺副教授。

  生物皮膚具有重要的感知功能，是人體與環(huán)境相互作用的重要途徑。受生物皮膚的啟發(fā)，電子皮膚作為一種新興的柔性仿生觸覺傳感器，近年來受到科研工作者的廣泛關(guān)注。此類可穿戴電子器件往往需要在彎曲、拉伸、扭曲等各種復(fù)雜的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下工作，為了不影響其壓力傳感性能，電子皮膚必須與人體或任意曲面無縫貼合，開發(fā)形狀高度自適應(yīng)性和穿著舒適性的電子皮膚已成為智能可穿戴領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。有機(jī)壓電纖維材料具有輕質(zhì)柔韌、透氣性優(yōu)異和加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，成為制備可呼吸電子皮膚的重要材料。同時(shí)，壓電式電子皮膚信噪比和靈敏度較高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于小型化，是實(shí)現(xiàn)高性能可穿戴電子皮膚的理想手段。根據(jù)纖維晶型結(jié)構(gòu)與壓電性能的關(guān)系，有機(jī)壓電纖維的壓電性能主要由大分子鏈中β相晶型的含量決定，如何進(jìn)一步提高壓電纖維的壓電活性已成為提升壓電式電子皮膚靈敏度及穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

圖1. 核殼壓電纖維電子皮膚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及壓力傳感性能示意圖

  針對(duì)上述問題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了一種以同軸核殼結(jié)構(gòu)壓電纖維為感應(yīng)層，柔性導(dǎo)電織物作為電極層，高彈性聚氨酯薄膜作為基底封裝材料的形狀自適應(yīng)性電子皮膚，確保人體佩戴的舒適性和壓力傳感的準(zhǔn)確性。結(jié)合靜電紡絲過程的機(jī)械拉伸和電場(chǎng)極化過程，使得壓電纖維內(nèi)部晶型由無壓電活性的α相向壓電性能最好的β相轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步促進(jìn)β相晶型形成。同時(shí)設(shè)計(jì)新型同軸核殼結(jié)構(gòu)，芯部是高壓電系數(shù)的無機(jī)鈦酸鋇（BTO）納米顆粒，殼部是氧化石墨烯（GO）納米片摻雜的聚偏氟乙烯（PVDF）纖維，無機(jī)-有機(jī)雜化復(fù)合的協(xié)同作用極大提升了壓電纖維的壓電活性。研究表明，所制備的電子皮膚具有優(yōu)異的傳感性能，在80-230kPa的壓力區(qū)間內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)10.89 ± 0.5 mV·kPa?1的力學(xué)靈敏度。所制備的電子皮膚能夠與三維柔性曲面無縫緊密貼合，可以安置在任意彎曲的表面，例如扭曲的人體皮膚或者彎曲的關(guān)節(jié)上，用以檢測(cè)各種關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)以及運(yùn)動(dòng)的幅度和頻率。當(dāng)被組裝成壓力傳感陣列后，能夠?qū)ν饨缥矬w的形狀進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度空間觸覺映射。這種新型形狀自適應(yīng)性纖維電子皮膚在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、人機(jī)交互系統(tǒng)、智能機(jī)器人、智能假肢等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖2. 核殼壓電纖維電子皮膚在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和觸覺感知中的實(shí)際應(yīng)用

  該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、上海市青年科技啟明星計(jì)劃、東華大學(xué)勵(lì)志計(jì)劃等項(xiàng)目的大力資助。

  全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104429