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苏州纳米所在柔性仿生传感器领域取得系列进展
2021-07-10 01:11
本文摘要:随着柔性电子学、材料科学及微纳加工技术发展,柔性/可穿着电子技术近年来沦为电子器件研究的最重要领域。其中,需要构建对外界信号准确感官的高性能柔性可延伸传感器是其中的基础性核心元器件之一。由于具备较好曲面共形特征及重、珍、韧等特性,柔性传感器在嵌入式、智能机器人、人工智能、可穿着设备、医疗监测及运动身体健康等战略新兴领域具备辽阔的应用于前景。目前,科研人员在柔性电子器件研究中作出了很多创新性的工作,且该领域更有了更加多研究者的注目。

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随着柔性电子学、材料科学及微纳加工技术发展,柔性/可穿着电子技术近年来沦为电子器件研究的最重要领域。其中,需要构建对外界信号准确感官的高性能柔性可延伸传感器是其中的基础性核心元器件之一。由于具备较好曲面共形特征及重、珍、韧等特性,柔性传感器在嵌入式、智能机器人、人工智能、可穿着设备、医疗监测及运动身体健康等战略新兴领域具备辽阔的应用于前景。目前,科研人员在柔性电子器件研究中作出了很多创新性的工作,且该领域更有了更加多研究者的注目。

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张珽课题组与合作团队在纳米智能材料、仿生微纳结构、柔性可延伸传感器件及其智能系统方面获得系列研究进展,并构建了柔性微纳传感器的工程化、印刷批量生产与部分专利技术的产业化,受到国际国内同行的注目。面向特定应用于场景的市场需求,柔性传感器需符合高灵敏度、低稳定性、较慢响应时间和宽工作寿命等拒绝。

目前为止,人们发展了多种手段来提升柔性传感器的综合性能,还包括脆弱材料制备及器件设计制取等,但这些手段一般来说都是基于现有简单的加工手段及材料制备方法,不存在一定的局限性。“仿生”是科学技术研究中最重要的理念与方法之一,在自然界中,经过千百万年演进与演化,各种生物体都能通过其独有的形状与功能构建对生存环境的适应环境。例如,蜘蛛可通过腿部皮肤裂纹微结构高灵敏地感官地面微振动而构建远距离观测,变色龙/章鱼等能通过感官外界光线变化而转变皮肤色彩来展开伪装成维护等。

因此,通过向大自然自学,对生物界不存在的物质及结构展开“仿效”和创意,发展以类似于趋生物性的方式对外界多重物理、化学信息动态准确感官的仿生传感器件,为新型电子器件的设计与传感技术的发展获取非常丰富的思路和方法,展现出出有人工智能特性,并拓宽观测技术的应用于范围。近日,张珽课题组不受AccountsofChemicalResearch期刊的邀,公开发表了为题Materials,Structures,andFunctionsforFlexibleandStretchableBiomimeticSensors的综述文章,阐释了该课题组和涉及团队最近几年在柔性仿生传感器领域的研究工作,反映了仿生柔性传感器技术是构建“(机器)人-信息-物理系统”高效融合的重要途径(图1),并未来发展了该研究领域不存在的问题和发展方向(Acc.Chem.Res.2019,52,288-296,InsideCover,DOI:10.1021/acs.accounts.8b00497)。皮肤的组织是生物体仅次于的感官器官,具备力学、温湿度、触觉等多种综合感官能力,作者从最不具代表性的柔性仿生传感器-仿生“电子皮肤(Electronicskin)”抵达,首先分析认为通过建构具备类似功能或填充性能的新型脆弱材料,能彰显传感器多功能的感官能力。

例如,通过吸附水(Boundwater)的吸脱附,脆弱高分子膜能构建光、湿度双重号召同时通过材料应力来将信号号召“可视化”。另外,通过多功能材料设计制取能彰显器件类似性能,例如,利用蚕丝(Silk)等天然物质或可降解材料构筑生物兼容或可溶解传感器、利用聚合物氢键起到机理的具备类“皮肤”自修缮功能的柔性传感器、基于超强亲水性能力智能涂层的多功能可剪切传感器等。同时,分析认为通过设计和构筑多种仿生微纳脆弱结构来提高柔性传感器性能。

例如,通过对自然界中动物(蜘蛛等)、植物(荷叶、花瓣等)中仿生微纳结构的复形,构筑了能构建长的感官范围或选择性方向号召特性的柔性传感器(图2a-b);基于仿照织物条纹微纳结构装配的柔性器件(图2d),能构建对微小压力(0.6Pa)的较慢号召(10ms);通过对自然界中自不平稳态(Instabilities,如波浪、云层、沙丘等)的仿效,可实现柔性传感器低延展性;使用预应力剪切方法所装配的具备“wave”结构的一维纤维状/二维平面状柔性器件不具备超强延伸(仅次于>1000%拉伸形变)的特性(图2c)。通过柔性器件与异形曲面如人体器官等表格界面的密切契合,更进一步拓宽了柔性传感器件在人体、轻量化装备等方面的应用于。生物体特别是在是人体的五官(触觉、听力、嗅觉、视觉及味觉),是构建其对外界信息感官与交互的最重要基础性功能。张珽团队从生物体感官功能角度抵达,构建了多种新型柔性仿生器件的设计建构,如柔性仿生电子皮肤传感器(E-skin)、柔性仿生指纹结构传感器(ElectronicFingerprint)、柔性仿生电子耳膜(ElectronicEardrum)等(图3),构建了对脉搏、跳动及血管微压的高灵敏检测(图3a),对表面剪切力、织物条纹及盲文字母的准确检测(图3b),以及对宽频振动信号(20-13000Hz)的高信噪比(~55dB)、低平稳号召(150000cycles)(图3c)。

融合课题组研制的微纳气体传感器(嗅觉)及可穿着汗液传感器(味觉)等,类皮肤多参数感官特性的多功能柔性传感器系统将渐渐沦为现实,未来将彰显仿生机器人等系统更为“智能”的类生物器官感官功能。张珽从材料设计、系统集成及应用于场景角度未来发展了该领域未来发展方向,如通过将形状记忆合金材料、金属有机框架材料及非传统的分子机器、细胞有机体等引进器件设计之中,研发具备新的仿照生物体功能的柔性传感器件;通过系统设计,构筑轻量化仿生鱼、仿生鸟等智能柔性传感-驱动一体化系统等。

上述工作获得科技部重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金和中国博士后基金等反对。文章的第一作者为李铁,硕士研究生李玥参予该工作。图1.仿生柔性传感器综述公开发表于AccountsofChemicalResearch(2019,52,288-296,InsideCover)。图2.基于(a)纳米碳材料裂纹结构、(b)荷叶表面微纳结构、(c)“wave”延伸结构、(d)织物微纳结构装配的仿生柔性传感器。

图3.(a)柔性仿生电子皮肤传感器(“E-skin”);(b)柔性仿生指纹传感器(“Electronicfingerprint”);(c)柔性振动传感器-“电子耳膜(Electroniceardrum)”。


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