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 南京大學化學化工學院金鐘教授帶領的“先進能源材料與器件研究團隊”在柔性電子皮膚方面取得重要進展，在Advanced Functional Materials雜志上發(fā)表題為“Versatile Electronic Skins for Motion Detection of Joints and Fingers Enabled by Aligned Few-Walled Carbon Nanotubes in Flexible Polymer Composites”的論文。副研究員朱紅飛博士為論文第一作者。中科院蘇州納米所的陳立桅研究員和李清文研究員、新加坡南洋理工大學劉政教授等合作參與了此項研究。

    人體皮膚的神奇之處在于其具有多種傳感特性，能從周圍復雜的環(huán)境中感知各類信息。模仿人類皮膚的多功能的電子皮膚將為人體生理信號實時檢測、便攜式靈敏檢測器、人機通信界面、仿生機器人部件等應用提供多種可能性。想象一下，如果你能通過改變手指的姿勢，來控制一架直升機的飛行，那是一件多么奇妙的事情。由此可見，開發(fā)對彎曲和拉伸敏感的多功能柔性電子皮膚，能夠為研發(fā)智能機器與外界環(huán)境的交流系統(tǒng)起到關鍵作用，也是未來生物機器人最重要的部件之一。

圖1. （a）柔性電子皮膚的制備過程。（b）覆蓋在透明柔性基底上的少壁碳納米管取向陣列。（c）少壁碳納米管取向陣列的SEM照片。（d）已蒸鍍電極的透明柔性電子皮膚。

    為了設計高靈敏度的柔性電子皮膚，研究人員設計了一種基于少壁碳納米管取向陣列/高分子復合薄膜的通用器件結構，能夠監(jiān)測人體關節(jié)的彎曲以及拉伸情況。在柔性高分子基底上平鋪一層少數壁碳納米管取向陣列的透明薄膜，再涂覆一層超薄的彈性高分子以形成表面光滑的碳納米管復合材料，蒸鍍上電極后即完成柔性電子皮膚的制備（圖1）。測試彎曲電子皮膚的在不同電壓下的電學特性，顯示其為歐姆特性，而且電流大小與電子皮膚的彎曲角度呈現(xiàn)出高靈敏度、高度可重復的線性響應（圖2a,b），即使彎曲上萬次仍能保持良好的性能。

圖2.（a, b）柔性電子皮膚在不同彎曲角度下的電學信號響應。（c）少壁碳納米管取向陣列（AFWCNT）和隨機分散碳納米管（RCNT）的高分子復合薄膜具有不同的導電方式和對彎曲角度不同的響應特性；（d, e）Van Der Pauw方法測試少壁碳納米管取向陣列和隨機分散碳納米管的高分子復合薄膜異向電學性質的示意圖、光學照片圖和相鄰電極之間的電壓降差異。

    有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，沒有覆蓋高分子涂層的碳納米管取向陣列對彎曲并不敏感；同樣，隨機分散的碳納米管薄膜器件，無論有無高分子涂層都對彎曲沒有響應。這種靈敏度的差異是由于不同材料之間的界面導電特性的不同所造成的。在少壁碳納米管取向陣列/高分子復合薄膜中，高分子的引入導致了電子皮膚的彎曲會顯著地改變碳納米管之間的界面電阻，而這種效應在隨機分散的碳納米管/高分子復合薄膜中是無法實現(xiàn)的（圖2c）。研究人員用Van der Pauw方法檢測了碳納米管取向陣列/高分子復合薄膜的各向異性電學特性，以及隨機分散碳納米管/高分子復合薄膜的各向同性電學特性，證明了這種機理的存在（圖2d,e）。

圖3.（a）彎曲敏感傳感器置于手指部位的光學照片圖；（b）彎曲敏感電子皮膚監(jiān)測手指彎曲和伸直時的電流變化-時間圖；（c）基于PDMS基底的Au/PDMS/AFWCNT/Au拉伸敏感電子皮膚；（d）拉伸敏感電子皮膚在拉伸變形30%~200%下的電阻變化-時間圖。

    研究人員將柔性電子皮膚貼在手指關節(jié)部位上，可以用來非常迅速、靈敏地檢測手指彎曲和伸直的狀態(tài)變化（圖3a,b）。此外，如果采用彈性硅橡膠作為透明柔性基底，還可以制備同樣對拉伸敏感的電子皮膚（圖3c,d），對拉伸應力具有高靈敏度、檢測范圍寬、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。這些功能在可穿戴人機通信接口、人體生理信號檢測、仿生機器人部件、便攜式運動檢測器等方面都有潛在的應用前景。

    該研究工作得到了國家973計劃、重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金等項目的資助。