郑州大教申长雨院士、刘春太传授团队《AM》：仿生多功效光电子智能皮肤

比年来，作为人工智能（AI）、软体呆板人、康健监测等前言的智能皮肤备受存眷。智能皮肤被以为是超敏感自供电的而且盼望给予皮肤视觉上感知刺激的本领。固然已经开辟了几种基于Ti₃C₂T_x（MXene）-应变/压力传感器的智能皮肤，但这些传感本领与设置装备摆设中MXene的氧化征象之间的差别极大地限定了这些智能皮肤的应用。机器发光 (ML) 可以或许在差别变形下转变颜色或亮度，通过机器信号的可视化，在周密告急的医疗或宁静相干行业具有庞大潜力。别的，摩擦纳米发电机（TENG）通过打仗带电和静电感到将机器能转化为电能，已被证明在能量网络和自供电传感方面具有精良的应用远景。然而，制备一种内涵集成上述特性的一体式智能皮肤仍旧是一个庞大的挑衅。

鉴于此，郑州大学申长雨院士、刘春太传授、代坤传授和中国科学院北京纳米能源与体系研究所潘曹峰研究员开辟了一种超敏锐的自供电机器发光智能皮肤（SPMSS）。受益于基于Ti₃C₂T_x（MXene）/碳纳米管协同相互作用的奇特应变相干微裂纹布局设计，SPMSS具有优秀的应变传感性能，包罗超低检测限（0.001%应变）、超高敏锐度（应变系数、GF=3.92×10⁷)、超快相应时间（5ms）以及杰出的耐用性和稳健性（>45000次轮回）。同时，SPMSS在拉伸下体现出可调且高度敏感的ML特性。紧张的是，SPMSS作为摩擦纳米发电机（4×4cm²）体现出优秀的性能，包罗超高摩擦电输出（开路电压V_OC=540V，短路电流I_SC=42µA，短路电荷Q_SC=317nC）和功率密度（7.42W m^-2），给予智能皮肤可靠的电源提供和自供电感到本领。这种仿生智能皮肤在康健监测、视觉传感和自供电传感方面具有多功效应用。相干事情以“Bioinspired Multifunctional Photonic-Electronic Smart Skin for Ultrasensitive Health Monitoring, for Visual and Self-Powered Sensing”为题颁发在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。

质料布局设计和应变传感性能

作者选用聚氨酯 (TPU)为基材层，商用荧光剂（FA）为高效荧光质料。将差别质量比的FA与TPU混淆，通过静电纺丝制备一系列荧光毡（TFM）。4% TFM具有优秀的荧光性能和优秀的拉伸性（792%应变）。分层的MXene纳米片出现出超薄布局。为了加强电性能，选择稳健的CNT墨水与MXene组装，然后通过在4% TFM上喷涂1D CNT/2D MXene导电油墨来构建SPMSS（图1）。SPMSS的横截面体现出精良的夹心布局，预处置惩罚后得到像蜘蛛缝器官一样的多标准锯齿状微裂纹。SPMSS基于应变依靠的微裂纹布局在拉伸下表现可调ML特性，并体现出轻量级特性和精良的柔韧性。通过检测相对电阻改变来表征差别MXene/CNT含量的SPMSS的机电性能（图2）。在1000 mm min^-1的拉伸速率下实现了5 ms的快速相应/规复时间。在5%的较大应变下颠末45000次拉伸开释轮回后体现出明显的恒久历久性和稳健性。

图1.质料布局设计

图2.SPMSS的应变传感性能和机理

SPMSS用于视觉传感的ML特性和能量网络的TENG特性

SPMSS体现出快速可逆的应变相干光学特性（图3）。因为MXene/CNT层精良的紫外线屏蔽本领，在初始状态下没有观看到可见荧光，SPMSS上黄色荧光的亮度随着应变的增添而渐渐加强。差别FA的SPMSS充实拉伸表现出差别的荧光颜色（赤色、黄色、蓝色和绿色）。SPMSS的3D放射荧光光谱在1000次拉伸开释后具有险些同等的特性。SPMSS在能量网络和自供电传感方面体现出优秀的TENG特性（图4）。体现出超高摩擦电输出（开路电压V_OC=540V，短路电流I_SC=42µA，短路电荷Q_SC=317nC）和优秀的功率密度（7.42W m^-2）。这些效果评释SPMSS对差别的压力和频率体现出优秀的相应举动，可应用于自供电触觉传感。

图3.用于视觉传感的SPMSS的可调谐ML光学特性

图4.用于能量网络的SPMSS的TENG性能

SPMSS在视觉传感、康健监测和自供电传感中的应用

为了同时实现SPMSS的应变传感和信号可视化，通过在志愿者的手指上集成SPMSS来演示及时监测（图5）。SPMSS的发光强度和ΔR/R₀随着弯曲角度的增添同时增添表现了人工智能的庞大潜力。别的，将SPMSS牢固在一名24岁康健男性志愿者的差别动脉脉搏位置上举行康健监测。效果表现SPMSS可以或许准确丈量肱动脉和桡动脉的脉搏波形。在自供电传感到用中，SPMSS阵列的输出电压随动手指触摸压力和频率的增添而显着上升，体现出精良的触摸感。当手指放在自供电触觉传感阵列的差别打仗位置时，可以收罗相应传感单位的输出电压，准确展现手指触摸轨迹。

图5.SPMSS在视觉传感、康健监测和自供电传感中的应用

小结：作者乐成开辟了一种超敏锐自供电ML智能皮肤。SPMSS具有超敏锐的传感性能极限、超高敏锐度和超快相应的特性。SPMSS还被设计为在体现出ML特性时高度敏感。这些杰出的本领给予了SPMSS通过及时猎取生理参数来准确监测康健状态的本领，并通过清楚可辨的发光信号视觉感知差别的手势。TENG特性可孕育发生可靠的电源提供以可连续地驱动电子设置装备摆设。SPMSS阵列很简单贴合人体皮肤，可用于网络生物力学能量、触觉感知和差别目的物体的空间映射。该研究为制造具有高性能应变传感、可调光学特性和可靠电源的多功效智能皮肤摊平了门路。

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102332

泉源：高分子科学前沿

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