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作者:唐一塵 來源:中國科學報 發布時間:2020/11/30 9:53:38
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研究人員開發出耐用電子皮膚

 

 

KAUST的研究人員已經開發出一種耐用的“電子皮膚”。圖片來源:KAUST

一種在強度、延展性和敏感性方面模仿人類皮膚的新材料,可以用來實時收集生物數據。這種電子皮膚可能在下一代假肢、個性化醫療、軟機器人和人工智能等領域發揮重要作用。

“理想的電子皮膚將模仿人類皮膚的許多自然功能,比如精確、實時地感知溫度和觸覺。”阿卜杜拉國王科學技術大學(KAUST)博士后蔡宜辰(音譯)說。然而,要制造出既能執行如此精細的任務,又能承受日常生活磕碰和摩擦的具有適當彈性的電子產品是一項挑戰,而且每一種材料都必須經過精心設計。

大多數電子皮膚是通過將一種活性納米材料(傳感器),分層放置在能附著在人類皮膚上的可拉伸表面上制成的。然而,這些層之間的連接往往太脆弱,這降低了材料的耐久性和敏感性。另一方面,如果它太硬,靈活性就會受到限制,使它更有可能斷裂和斷開電路。

“皮膚電子產品的前景正在以驚人的速度變化。2D傳感器的出現加速了將這些原子般薄、機械強度高的材料集成到功能性、耐用的人造皮膚中的努力。”蔡宜辰說。

由蔡宜辰和同事沈杰(音譯)領導的一個團隊已經創造出了一種耐用的電子皮膚,這種皮膚使用了一種由二氧化硅納米顆粒增強的水凝膠作為堅固而有彈性的基板,并使用2D碳化鈦MXene作為傳感層,與高導電的納米線結合在一起。

沈杰解釋說:“水凝膠中70%以上是水,這使得它們與人體皮膚組織非常兼容。”研究人員向各個方向拉伸水凝膠,加上一層納米線,然后小心地松開,最終創造了通往傳感器層的導電通道。研究人員表示,即使材料被拉伸到原來尺寸的28倍,這些通道仍然保持完好。

新電子皮膚原型可以感知20厘米外的物體,在不到1/10秒內對刺激做出反應,當用作壓力傳感器時,還可以區分上面寫的筆跡。它在經歷了5000次變形后仍能正常工作,每次恢復的時間約為1/4秒。

研究人員表示,電子皮膚在反復使用后還能保持韌性,這是一個驚人的成就,它模仿了人類皮膚的彈性和快速恢復力。

相關論文信息:https://doi.org/10.1126/sciadv.abb5367

 
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