材料學院劉鍇課題組在新型柔性觸覺傳感器研究方向取得新進展
????????近日，國際著名材料期刊《Advanced Functional Materials》正式刊出了我院劉鍇課題組《多用途的超靈敏、低電壓驅(qū)動的非對稱離子傳感凝膠》（Ultrasensitive, Low-Voltage Operational, and Asymmetric Ionic Sensing Hydrogel for Multipurpose Applications）的研究論文。該研究開發(fā)了一種新的柔性觸覺傳感機理并制備了關(guān)鍵性能指標優(yōu)越的柔性觸覺傳感器，并被選為當期的back cover論文。
????????目前絕大多數(shù)的柔性觸覺傳感器主要通過基于壓阻效應(yīng)、電容效應(yīng)、壓電效應(yīng)和摩擦電效應(yīng)等依賴于電子行為的機制進行設(shè)計和實現(xiàn)，雖然能夠應(yīng)用在電子皮膚和可穿戴器件等領(lǐng)域，但與生物體內(nèi)基于離子行為的傳感機制仍然存在差異。為了模擬和兼容生物組織內(nèi)的重要活動，研究電子器件和生物組織相互作用，并擴展柔性觸覺傳感器在仿生機器人和生物電子學等領(lǐng)域的應(yīng)用，近年來對基于水凝膠材料的新型柔性觸覺傳感器的研究逐漸受到人們的重視。然而，這類柔性觸覺傳感器通常利用電容效應(yīng)引起的離子運動作為壓力響應(yīng)機理，其壓敏性能距離實際應(yīng)用尚有一定差距。因此，迫切需要開發(fā)出基于新機理的高性能柔性水凝膠觸覺傳感器。
????????針對這一關(guān)鍵問題，清華大學材料學院劉鍇副教授、西安交通大學張磊教授與清華大學材料學院伍暉副教授、化學系張瑩瑩副教授、物理系范守善院士等課題組緊密合作，利用類似于生物組織的水凝膠材料，設(shè)計并制備了負載有銀納米顆粒、具有非對稱表面結(jié)構(gòu)的丙烯酸水凝膠復合物——AISH（Asymmetric Ionic Sensing Hydrogel），從而構(gòu)建出基于以非對稱界面化學反應(yīng)和離子電流傳導作為壓力傳感機理的高性能柔性觸覺傳感器。實驗證明，由于凝膠非對稱的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計，器件會自發(fā)產(chǎn)生一個很小的電動勢。通過調(diào)節(jié)外電路電壓，使之與器件自發(fā)產(chǎn)生的電動勢相匹配，可以調(diào)控電路的初始電流達到一個極小的值。另外，器件的兩個銅箔電極與凝膠界面處的銀離子可以發(fā)生非對稱的化學置換反應(yīng)，當器件受到壓力作用時，會極大地改變離子傳導電流，使器件具有高度的靈敏性。經(jīng)過試劑配比優(yōu)化，該凝膠器件具備超高靈敏度（171 kPa-1）、超低檢測限（0.075 Pa）、較低的工作電壓（0.02 V）和長使用壽命（循環(huán)使用1500次以上），并可以精準地記錄脈搏信號和聲壓信號，而且可以在埋入水下時探測水面的微小波動，具有超靈敏的檢測能力和寬廣的適用范圍。
????????這一工作成功制備了一類基于化學反應(yīng)和離子傳導新機理的高性能柔性觸覺傳感器件，證明了這種器件在生物電子學相關(guān)領(lǐng)域的實際應(yīng)用價值，在獲得高性能柔性觸覺傳感器的同時佐證了基于界面化學反應(yīng)的壓力傳感機理的可行性。
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?????????清華大學材料學院為該論文第一完成單位。該論文第一作者為清華材料學院訪問學生、西安交通大學博士研究生丁翰元；通訊作者為劉鍇副教授和張磊教授。該工作得到了國家自然科學基金、教育部霍英東基金等科學項目的支持。
????????文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201909616
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