阿卜杜拉国王科技大学专业_阿卜杜拉国王科技大学专业有哪些

背景

　　具有便携性，可折叠性和生物相容性的即电子皮肤（e-skin）已应用于新兴技术和生物集成设备。理想的电子皮肤系统应实时准确模拟自然皮肤的特性，使用户能够与周围环境互动和交流，并根据用户的需求执行复杂的任务。凝胶基电子皮肤传感器在循环载荷的正常运行（低磁滞）过程中需要消耗尽可能少的能量，而在抵抗破裂（高韧性）和承受长期的循环载荷时则要消耗大量能量（抗疲劳）。然而，迄今为止报道的大多数水凝胶不能同时满足这些要求，且滞后性非常大。因此，有必要设计出能够打破韧性-滞后相关性，同时利用高动态工作范围，快速响应和出色的恢复性能的水凝胶。

　　近期，阿卜杜拉国王科技大学报告了一个电子皮肤系统，该系统以乙烯基二氧化硅纳米粒子-聚丙烯酰胺（VSNP-PAM）水凝胶作为坚固的弹性基质，以及由2D MXene纳米片和1D聚吡咯纳米线（PpyNWs）构成的正交弯曲传感阵列。PAM链上酰胺基团间的氢键以及PAM和VSNP之间的共价键可协同平衡VSNP-PAM水凝胶网络内的能量耗散，从而同时实现高韧性（7020 J/m2）和低滞后性（<0.1），为电< span="">子皮肤传感器提供快速的响应时间（90 ms）和出色的回弹力（240 ms）。同时，巧妙利用VSNP-PAM水凝胶的高拉伸性，2D MXene纳米片和1D PpyNW粘附在预拉伸VSNP-PAM水凝胶上，可定制自组织分层结构。拉伸后，折皱的结构可以重新变平回到其原始形态，为MXene-PpyNW传感组件提供一条途径。1D PpyNW的引入进一步保留了VSNP-PAM和2D MXene纳米片的界面之间的结构完整性，同时在广泛的工作范围内提供了类似皮肤的功能和敏感性。所得的电子皮肤可控制机械变形下的逐步传播微裂纹，工作范围宽（0至2800％）、线性范围大（0至800％应变）、灵敏度高、重现性> 5000个循环。此外，通过将两个异质结构网络层压在一起，可以将感测机制从压阻效应调整为电容效应，从而能够在各个方向上感测触觉刺激，并能够感知20 cm的远距离接近。作者最后还演示了远程无线传输、温度和光电效应的功能。文章以“Mixed-dimensional MXene-hydrogel heterostructures for electronic skin sensors with ultrabroad working range”为题发表在《Science Advances》。

结果与讨论水凝胶制造

　　作者通过掺入VSNP合成了高度可拉伸且坚韧的水凝胶VSNP-PAM（图1和2A）。丙烯酰胺（AM）单元与VSNPs的化学交联点之间的分子间氢键使VSNP可以自发地充当凝胶中的多功能化学交联点，以平衡其能量耗散。拉伸VSNP-PAM时（图2C），这些共价交联点充当应力转移中心，增强网络模量，而非牺牲氢键可动态重组以耗散能量。通过改变VSNP的含量，水凝胶的机械性能可调节（图2D）。VSNP含量较高的VSNP-PAM磁滞更小（图2E），且连续加载/卸载循环测试之间没有停顿（图2F）。VSNP-PAM-0.1具有高韧性、低滞后性、顺应性和粘弹性，适合于电子皮肤应用。

　　图1MXene-PpyNW-VSNP-PAM的异构集成电子皮肤。

　　图2 VSNP-PAM水凝胶的合成。

电子皮肤设备的组装

　　图3A说明了制备可拉伸和可压缩电子皮肤的步骤，首先通过软模板法合成导电直径为40至60 nm的头发状PpyNW（图3D），然后将一层薄薄的PpyNWs连续喷涂到预拉伸SNP-PAM水凝胶底物。释放应变后，导电的柔性PpyNW包裹在一起，形成束状簇，从而构造出规则的兼具平滑的起伏和锋利的山脊，褶皱和顶点的纹理结构（图3E）。然后将PpyNW-VSNP-PAM基板拉伸1000％，并将MXene纳米片喷涂到预拉伸的PpyNW-VSNP-PAM基板上。释放后，MXene薄膜会形成对齐的皱纹和分层的带扣（图3F）。PpyNW的掺入建立了交联和感测层逐步滑动的动态平衡。作者将正交皱折的MXene-PpyNWs的涂层重复四个循环以构成电子皮肤的传感组件。

　　图3 异类集成电子皮肤的制造以及各种接口处动态链接的特征。

机电行为

　　该电子皮肤的灵敏度极佳，相对电阻在承受800％应变时呈线性比例变化（图4A）。异质集成电子皮肤实现了非常快的响应（90ms）和恢复（240ms）（图4B），超过了大多数已报道的基于水凝胶的应变传感器。这克服了水凝胶响应时间长、难以满足人体全方位运动的问题。健康人的反应时间通常在100-300 ms。该电子皮肤在循环应变下有重复性、稳定性和耐用性（图4C）。电子皮肤的动态机电性能与静态结果非常一致（图4D-E）。

压阻裂纹扩展传感机制

　　在制造过程中预拉伸涂层和剥离工艺使水凝胶为对齐的“波浪状”形态。2D MXene纳米片通过与1D PpyNW层的多重连接紧密附着在水凝胶网络的表面上。在相对较低的应变区域内，薄膜的波动通过x方向上的外部张力逐渐变平，从而在MXene层上出现较小的微裂纹或间隙，下方暴露少量PpyNW（图4H））。随着应变的增加，裂纹逐渐增长并在整个复合膜中传播（图4I）。聚合物链拉伸、氢键键合、拓扑缠结、疏水嵌入和异质结构中传感层的梯度滑动的协同效应使电子皮肤能够适应很大应变下施加的张力梯度，从而极大地缓解了裂纹扩展。因此，电子皮肤在较大应变下可以表现出稳定的连续电流变化。随着应变的进一步增加，由于传感层之间的互连减少，电导率迅速降低（图4J）。这种压阻式裂纹扩展感应机制和波浪形态主导的拉伸过程确保了高灵敏度和超大工作应变范围。

　　图4 机电行为和压阻裂纹扩展传感机制。

电容式触觉行为

　　电子皮肤能够识别接近的物体。使用两条电子皮肤带，将图案化表面背对背层压在一起，弹性带（VHB 4905.）作为电介质用于封装（图5A），制造出半透明和压缩平行板电容器。电容包含传感器电容（C total）、平板电极电容（C p）、VHB覆盖层中的边缘电容（C f1），在传感器正上方通过介质产生边缘电容（C f2）（图5B）。从理论上讲，触摸检测中的电容变化源自边缘电场的干扰和电介质的尺寸变化。当一个人的手指靠近另一个人的前臂上附着的电子皮肤时，边缘电场会被手指部分拦截并分流到地面，从而导致电容减小（图5C）。图5D表示电容随着手指从电子皮肤接近减小（绿色）、触摸增大（粉红色）以及移开恢复到原始值（白色）而变化。电容减小源于手指接近的边缘电场的干扰，增大源于电介质的尺寸变化。在每个周期中，不对称的峰值源于对象手指接近的速度，角度和施加的压力的细微差别。这些数据表明，非接触式（接近）和接触式（触摸）感测模式并存。

　　图5 电子皮肤的电容式触觉行为和机理。

无线传输和远程监控

　　作者最后分析电子皮肤的感应响应，通过无线发射机和分析仪将其上传到云中，并以Wi-Fi将其同步到用户界面。微控制器单元（MCU）主要由微处理器，Wi-Fi模块，蓝牙和发光二极管（LED）组成（图6A- B）。电子皮肤系统提供多维感测功能，监视由压引起的微小振动、大肢体变形和长期锻炼的整个人体运动。对于较大的肢体变形，数据手套由五个独立的带状传感器可以分别精确地检测每个手指的运动（图6C-D）。对于可弯曲和伸直肘关节的可逆过程，传感器系统显示重复的实时阻力变化（图6E），可用作无线远程交互设备，以促进机器人技术和虚拟现实中的精细运动控制。系统还能检测面部微表达（图5F）。

　　图6 具有集成无线传输和远程监视功能的可触觉感知的电子皮肤。

结论

　　作者推出了一种异构集成，将分子间作用力和机械工程学的协同结合，以规避电子皮肤各个组件之间的界面处的固有障碍。由VSNP设计的PAM水凝胶首先克服了韧性和滞后性之间的相关性，从而为电子皮肤奠定了机械柔韧性和坚固性的基础。由可逆皱缩和展开的方法产生了MXene-PpyNW传感层的层次结构和正交排列的形态，提供可调的传感功能。异质集成的电子皮肤能够检测，量化和远程监控多个维度上的拉伸运动、触觉压力、接近感应、、以及温度和光线的变化。

　　参考文献：DOI：10.1126 / sciadv.abb5367

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