研究背景

由于可穿戴电子设备在可穿戴物理和生理监测、电子皮肤(E-skins)和机器人传感方面有很好的应用前景，因此吸引了巨大的研究兴趣。一般来说，柔性可穿戴压力传感器有两个重要部分，即提供机械灵活性的弹性基材和决定传感性能的敏感材料。作为最关键的参数之一，灵敏度可以通过敏感材料的结构调节进一步提高，影响传感器的基本性能。因此，导电气凝胶作为压力传感器的敏感材料已被广泛研究，因为其有效的三维网络微结构。特别是，基于MXene的复合气凝胶由于其轻质的特点，微结构的可调控性和良好的导电性，以及近年来的机械性能，在柔性可穿戴压力传感器中显示出巨大的潜力。例如，纳米纤维素由于其灵活性可以作为凝胶骨架，形成具有增强机械性能的MXene复合气凝胶。然而，上述复合材料通过引入不导电的凝胶骨架，没有充分利用MXene纳米片的有利的导电性，这阻碍了它们在压阻传感器中的实际应用。为了提高基于MXene的复合气凝胶的导电性，一些碳材料，如氧化石墨烯(GO)，已被用作二维支持，以形成一个导电性增强的MXene复合气凝胶。

研究成果

基于MXene的复合导电气凝胶由于其有效的三维网络微结构和MXene的优良导电性，已经被广泛地研究为可穿戴压力传感器的敏感材料。在这项工作中，浙江大学梁波研究员、叶学松教授团队利用铜辅助的电凝胶方法制造了具有可控图案特性的三维多孔Ti₃C₂T_x MXene/聚(3,4 -亚乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸酯(PEDOT:PSS)复合气凝胶(MPCA)。所制备的复合气凝胶可以组装成用于可穿戴物理监测的压力传感器和用于机器人触觉的高分辨率传感器微阵列。MXene 和PEDOT:PSS之间的多重相互作用使MPCA具有稳定的三维导电网络，从而提高了MPCA的机械灵活性和压阻特性。因此，所制造的压力传感器表现出高灵敏度(0-2 kPa 内26.65 kPa^-1)、快速响应能力(106 ms)和出色的稳定性，可进一步应用于可穿戴物理监测。此外，由于电胶制备方法的可控图案特性，成功地制备了高分辨率的压力传感器微阵列作为人工触觉界面，它可以连接到机器人的指尖上，直接识别来自人类手指的触觉刺激，并像人类手指一样识别盲文字母。所提出的MPCA具有显著的综合性能，尤其是高灵敏的传感性能和可控的图案性能，显示了其在可穿戴电子设备方面的巨大优势和巨大潜力。相关研究以“3D MXene/PEDOT:PSS Composite Aerogel with a Controllable Patterning Property for Highly Sensitive Wearable Physical Monitoring and Robotic Tactile Sensing”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。

研究亮点

1. 制造了一种三维Ti₃C₂T_x MXene/PEDOT:PSS复合气凝胶(MPCA)， 它具有可控的图案性能，可用于高灵敏度的可穿戴物理监测和机器人触觉感应。2. 首先将获得的MPCA组装成一个基于MPCA的压力传感器，该传感器表现出超高的灵敏度(26.65 kPa^-1)、快速响应能力(106 ms)和500次循环的出色稳定性。这些优点使得基于MPCA的压力传感器在监测不同的人类健康信号方面具有潜在的应用。3. 制备了一个高分辨率的压力传感器微阵列，它可以作为一个人工触觉界面连接到机器人的指尖上。该人工触觉界面可以直接感知来自人类手指的触觉刺激，并像人类手指一样识别盲文字母。

图文导读

Figure 1. Applications of the MPCA based pressure sensing devices.

Figure 2. Preparation and controllable patterning of the MPCA.

Figure 3. Characterization of MPCA.

Figure 4. Characterization of MPCA pressure sensing properties.

Figure 5. Wearable physical monitoring of the MPCA sensor toward different human motions.

Figure 6. Application of the MPCA sensor microarray.

总结与展望

综上所述，利用具有可控图案特性的铜辅助电凝胶方法制造了三维多孔MXene/PEDOT:PSS复合气凝胶，并组装成用于可穿戴物理信号检测的压力传感器，以及用于机器人触觉感应的高分辨率传感微阵列。在MXene和PEDOT:PSS之间的多重相互作用的基础上，实现了MPCA的稳定的三维导电网络。随着导电聚合物PEDOT:PSS的加入，MPCA的机械灵活性得到了增强。当调整MXene/PEDOT:PSS的体积比时，三维MPCA显示出良好的压力传感器性能，显示出高灵敏度(0-2 kPa 内为 26.65 kPa^-1)、快速响应能力(106 ms)和500次循环的良好稳定性。这种制造的MPCA传感器可以粘附在人体皮肤上，以获得多种生理数据，如手指运动、肌肉力量测试、呼吸监测、吞咽和说话。更有趣的是，由于电胶制备方法的可控图案特性，成功地制备了基于MPCA的高分辨率压力传感器阵列，作为人工触觉界面，可以附着在机器人的指尖上进行机器人触觉感应。该人工触觉界面可以直接识别来自人类手指的触觉刺激，还可以像人类手指一样识别盲文字母。因此，用于制备MXene/PEDOT:PSS复合气凝胶的电凝胶方法为可穿戴电子器件、机器人触觉和个人保健生物监测设备提供了一种新的方法，即具有高灵敏度和稳定性以及可控图案特性的柔性可穿戴压力传感器。

文献链接

3D MXene/PEDOT:PSS Composite Aerogel with a Controllable Patterning Property for Highly Sensitive Wearable Physical Monitoring and Robotic Tactile Sensing，

https://doi.org/10.1021/acsami.2c03350