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  近期，河南科技大學(xué)陸昶教授團(tuán)隊(duì)在柔性可伸縮電子皮膚方面取得新進(jìn)展。通過在柔性天然橡膠基底表面構(gòu)建石墨烯豎直陣列，制得與人體皮膚類似的多功能感知能力的柔性電子皮膚。相關(guān)成果以標(biāo)題為“Stretchable Vertical Graphene Arrays for Electronic Skin with Multifunctional Sensing Capabilities”發(fā)表在Chemical Engineering Journal上.

圖1豎直石墨烯陣列的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其形成機(jī)理

  本文將天然膠乳薄膜直接浸泡于石墨烯/環(huán)己烷分散液中，環(huán)己烷在溶脹天然膠乳薄膜的同時(shí)，驅(qū)使石墨烯附著在薄膜表面。環(huán)己烷在揮發(fā)過程中，導(dǎo)致薄膜表面收縮。該過程一方面使得附著在薄膜表面的石墨烯相互擠壓，使得石墨烯片只能部分粘附在薄膜表面。另一方面，天然膠乳薄膜是通過乳膠粒聚集形成，環(huán)己烷在溶脹薄膜過程中，會破壞乳膠粒子之間的界面，使得薄膜表面收縮過程中，乳膠顆粒之間形成間隙（圖1a）。石墨烯片附著在薄膜的部分隨著乳膠顆粒的變形而變形，使其被鑲嵌在乳膠顆粒的空隙中，而石墨烯片未附著的部分則隨著薄膜的收縮翹曲，形成了豎直陣列（圖1b-d）。將表面雙軸方向拉伸不同長度后，可觀察到豎直陣列是由石墨烯部分翹起形成（圖1e-f）。

圖2 電子皮膚對壓力、氣流的響應(yīng)行為

  電子皮膚對低至2.5Pa的壓力即可產(chǎn)生響應(yīng)，可檢測到蜘蛛在其表面爬行時(shí)的響應(yīng)信號（圖2b-e）；且其只對壓力和氣流的施加或移除過程產(chǎn)生的響應(yīng)，該響應(yīng)特性是由于豎直石墨烯陣列的形貌特征決定的（圖2f-g）。同時(shí)，電子皮膚還具有響應(yīng)時(shí)間（6.7ms）及恢復(fù)時(shí)間（13.4ms）快、壓力檢測范圍寬（2.5kPa~1.1 MPa）的特性（圖2h-i）。

圖3 電子皮膚對不同表面粗糙度物體的感知特性及其應(yīng)用

  對于纖維狀、顆粒狀及鱗片狀物體，如不同的紙張、不同目數(shù)的砂紙、頭發(fā)，電子皮膚分別能感知其表面粗糙度的變化（圖3a-c）。且電子皮膚在物體表面滑動產(chǎn)生的響應(yīng)信號具有響應(yīng)快、恢復(fù)慢的特性。利用該特性，可以識別毛筆在其表面的滑動方向（圖3d-h）。

圖4 電子皮膚對光和熱的感知特性

  利用石墨烯對熱的負(fù)溫度效應(yīng)，使得電子皮膚可用于感知光照和溫差。對于光照，電子皮膚具有響應(yīng)時(shí)間短、敏感性高的特性。在一個(gè)太陽光強(qiáng)下，0.5s的光照時(shí)間就可使電子皮膚電阻產(chǎn)生變化（圖4a-d）。電子皮膚能對距離其30mm，且與其溫差為±20 °C的物體產(chǎn)生響應(yīng)（圖4e-g）。電子皮膚對溫差的高靈敏感知特性，使其可通過非接觸的方式感知手掌的接近（圖4h）；即便帶上丁腈手套，電子皮膚仍可感知到手掌的接近。

圖5 電子皮膚對應(yīng)變的感知特性

  基于天然膠乳薄膜優(yōu)異的可伸縮性，使得電子皮膚具有對應(yīng)變的感知能力。其能感知到0.5%~250%的形變，且響應(yīng)信號具有良好的穩(wěn)定性（圖5a-c）以及魯棒性（圖5g-h）。即使在100%的應(yīng)變下，電子皮膚仍具備對壓力和氣流靈敏的感知能力（圖5e）。

圖6 電子皮膚用于實(shí)時(shí)監(jiān)控人體及機(jī)械臂動作

  基于電子皮膚的多功能感知能力，使其具備對人體組合動作的檢測能力。例如，可用于檢測人體握拳-揮拳-松拳的動作（圖6a-b）。同時(shí)，電子皮膚構(gòu)成的陣列附著在機(jī)械臂夾具，可用于監(jiān)控夾具的移動、非接觸感知物體與電子皮膚的溫差以及抓握物體等動作。

  姚大虎副教授、碩士研究生吳蘭蘭為論文共同第一作者，陸昶教授、高喜平副教授為論文共同通訊作者。河南科技大學(xué)為論文唯一署名單位。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.134038