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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

1027    2019-02-27

随着柔性电子学、材料科学及微纳加工技术发展,柔性/可穿戴电子技术近年来成为电子器件研究的重要领域。其中,能够实现对外界信号精确感知的高性能柔性可延展传感器是其中的基础性核心元器件之一。由于具有良好曲面共形特征及轻、柔、韧等特性,柔性传感器在人机交互、智能机器人、人工智能、可穿戴设备、医疗监测及运动健康等战略新兴领域具有广阔的应用前景。目前,科研人员在柔性电子器件研究中做出了很多创新性的工作,且该领域吸引了越来越多研究者的关注。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、柔性可延展传感器件及其智能系统方面取得系列研究进展,并实现了柔性微纳传感器的工程化、印刷批量制造与部分专利技术的产业化,受到国际国内同行的关注(代表性的论文如下:Adv. Mater., 2014, 26, 1336、Adv. Mater., 2015, 27, 1370、Sci. Adv., 2016, 2(7), e1600209、Nano Lett., 2017, 17(1), 355、Adv. Sci., 2017, 4, 1600404、Small, 2017, 1602790、Nano Res., 2017, 10(8): 2683、Adv. Mater., 2017, 29, 1702517、Anal. Chem., 2017, 89, 10224、Adv. Sci., 2018,5, 1800558、Energy Storage Mater., 2018, 15, 315、Small, 2018, 14(36), 1703902)。

面向特定应用场景的需求,柔性传感器须满足高灵敏度、高稳定性、快速响应时间和长工作寿命等要求。迄今,人们发展了多种手段来提高柔性传感器的综合性能,包括敏感材料合成及器件设计制备等,但这些手段通常都是基于现有复杂的加工手段及材料合成方法,存在一定的局限性。“仿生”是科学技术研究中重要的理念与方法之一,在自然界中,经过千百万年演变与进化,各种生物体都能通过其独特的形状与功能实现对生存环境的适应。例如,蜘蛛可通过腿部皮肤裂纹微结构高灵敏地感知地面微振动而实现远距离探测,变色龙/章鱼等能通过感知外界光线变化而改变皮肤色彩来进行伪装保护等。因此,通过向自然学习,对生物界存在的物质及结构进行“模仿”和创新,发展以类似趋生物性的方式对外界多重物理、化学信息实时精确感知的仿生传感器件,为新型电子器件的设计与传感技术的发展提供丰富的思路和方法,表现出人工智能特性,并拓宽探测技术的应用范围。

近日,张珽课题组受Accounts of Chemical Research 期刊的邀请,发表了题为Materials, Structures, and Functions for Flexible and Stretchable Biomimetic Sensors 的综述文章,阐述了该课题组和相关团队最近几年在柔性仿生传感器领域的研究工作,体现了仿生柔性传感器技术是实现“(机器)人-信息-物理系统”高效融合的重要途径(图1),并展望了该研究领域存在的问题和发展方向(Acc. Chem. Res. 2019, 52, 288-296,Inside Cover,DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00497)。

皮肤组织是生物体最大的感知器官,具有力学、温湿度、触觉等多种综合感知能力,作者从最具代表性的柔性仿生传感器-仿生“电子皮肤(Electronic skin)”出发,首先分析指出通过构建具有特殊功能或复合性能的新型敏感材料,能赋予传感器多功能的感知能力。例如,通过吸附水(Bound water)的吸脱附,敏感高分子膜能实现光、湿度双重响应同时通过材料形变来将信号响应“可视化”。另外,通过多功能材料设计制备能赋予器件特殊性能,例如,利用蚕丝(Silk)等天然物质或可降解材料构筑生物相容或可溶解传感器、利用聚合物氢键作用机理的具有类“皮肤”自修复功能的柔性传感器、基于超疏水能力智能涂层的多功能可拉伸传感器等。同时,分析指出通过设计和构筑多种仿生微纳敏感结构来提升柔性传感器性能。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,构筑了能实现宽的感知范围或选择性方向响应特性的柔性传感器(图2a-b);基于仿织物条纹微纳结构组装的柔性器件(图2d),能实现对微小压力(0.6 Pa)的快速响应(10 ms);通过对自然界中自不稳定态(Instabilities,如波浪、云层、沙丘等)的模仿,可实现柔性传感器高延展性;采用预应力拉伸方法所组装的具有“wave”结构的一维纤维状/二维平面状柔性器件具备超延展(最大>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界面的紧密贴合,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。

生物体尤其是人体的五官(触觉、听觉、嗅觉、视觉及味觉),是实现其对外界信息感知与交互的重要基础性功能。张珽团队从生物体感官功能角度出发,实现了多种新型柔性仿生器件的设计构建,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(Electronic Fingerprint)、柔性仿生电子耳膜(Electronic Eardrum)等(图3),实现了对脉搏、心跳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精确检测(图3b),以及对宽频振动信号(20-13000 Hz)的高信噪比(~55 dB)、高稳定响应(150000 cycles)(图3c)。结合课题组研制的微纳气体传感器(嗅觉)及可穿戴汗液传感器(味觉)等,类皮肤多参数感知特性的多功能柔性传感器系统将逐渐成为现实,未来将赋予仿生机器人等系统更加“智能”的类生物器官感知功能。

张珽从材料设计、系统集成及应用场景角度展望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、细胞有机体等引入器件设计之中,开发具有新的仿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。

上述工作得到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支持。文章的第一作者为李铁,硕士研究生李玥参与该工作。

  
图1. 仿生柔性传感器综述发表于Accounts of Chemical Research (2019, 52, 288-296, Inside Cover)
  

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”延展结构、(d)织物微纳结构组装的仿生柔性传感器。
  

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(“Electronic fingerprint”);(c)柔性振动传感器-“电子耳膜(Electronic eardrum)”

来源:中国科学院网站