研究背景

电子皮肤(e-skins) 由于可以将外部环境的感知转化为可视化的电子信号，包括压力、湿度、温度、触觉和振动，在智能机器人、人机界面和健康监测中显示出巨大的前景。迄今为止，大多数电子皮肤是柔性应变传感器和压力传感器，它们只能检测到应变刺激或压力刺激。然而，人类皮肤不仅可以感知机械变形，还可以感知其他环境刺激，如温度和湿度。作为电子皮肤的重要功能之一，温度感应能力可以提供早期预警，以避免高温带来的损害风险。另一方面，湿度监测在我们的日常生活中也很重要，它关系到生活环境、医疗设施和身体健康。为了将这些多种传感功能集成到一个电气设备中，最常见的策略是通过逐层技术将不同功能的传感器(如应变传感器、温度传感器、压力传感器和湿度传感器)组装在一起，成为一个多感官系统。然而，这种多层结构不仅增加了电子皮肤的复杂性，而且还削弱了该装置的应变传感性能，如检测大应变的限制，较长的响应和恢复时间。此外，由于结构的限制，大多数多层结构的多传感器也很难达到较高的电阻温度系数(TCR)。因此，通过简单的策略设计和制造具有优良传感性能的多模态电子皮肤传感器仍然是一个巨大的挑战。此外，为了开发智能和绿色的电子皮肤,也需要透明和可回收的特性。然而，通过使用非透明的导电成分(如无机导电纳米颗粒)来制造透明传感器仍然是一个挑战。且大多数材料都没有被回收，这可能会造成大量的废弃电子产品，甚至对人造成伤害或污染环境。为了缓解"塑料污染"的威胁，电子皮肤设备的可回收性是可取的，这可以大大减少电子废物，并有可能降低制造成本。

成果简介

杭州师范大学朱雨田教授团队通过简单的原位还原和溶剂浇注技术，开发了由聚乙烯醇(PVA)、 柠檬酸(CA)和银纳米粒子(AgNPs)组成的可拉伸和透明的多模态电子皮肤传感器，它具有应变、温度和湿度方面的多种传感能力。虽然利用非透明的AgNPs作为传感元件，但由于CA和AgNPs在PVA基体中的均匀分散，制备的PVA/CA/AgNPs传感器不仅表现出超高的拉伸性(最高596%的应变)，而且具有出色的透明度(透过率>89%)。作为灵活的应变传感器，该传感器表现出广泛的应变感应范围(1-200%)，快速响应(90 ms)，以及输出信号的卓越线性(相关系数: 0.998)。此外，高精度的热感应(0.1°C) 和出色的温度敏感性(在30-40°C范围内为-0.076/℃)使该传感器能够检测到细微的温度变化。此外，PVA和CA良好的吸湿性使制造的传感器具有出色的湿度感应性能，可以实时提供人体皮肤的湿度信息。所设计的传感器具有良好的可回收性,通过简单的溶解-重塑处理,可以多次重复使用，从而减少电子废弃物。相关研究以“Stretchable and transparent multimodal electronic-skin sensors in detecting strain, temperature, and humidity”为题发表在Nano Energy期刊上。

研究亮点

1、通过原位还原和溶剂浇注的方法制作了透明的多模态PVA/CA/AgNPs皮肤状传感器。2、PVA/CAVAgNPs传感器表现出极好的应变、温度和湿度的多重感应性能。3、PVA/CA/AgNPs传感器表现出良好的环境稳定性和可回收性。4、重塑后的传感器即使在多次循环后仍能保持出色的多功能传感性能。

图文导读

Fig. 1. Preparation and structural analysis of PVA/CA/AgNPs composite film.

Fig. 2. Strain sensing performances of the PVA/CA/AgNPs sensor.

Fig. 3. Temperature sensing performances of PVA/CA/AgNPs sensor.

Fig. 4. Humidity sensing performances of PVA/CA/AgNPs sensor.

Fig. 5. Sensing applications of the PVA/CA/AgNPs-based multifunctional sensor.

Fig. 6. (a) Illustration for the dissolution process of the composite film; The scale bar is 3 cm for all the images. (b) The recyclability of the PVA/CA/AgNPs film; (c) The strain sensing performances of the original sensor and the reshaped sensor; Response of the original sensor and the reshaped sensor (d) when the wetting paper is closing to the sensor with different height and (e) when the finger wearing gloves is approaching to the sensor.

总结展望

综上所述，通过原位还原和溶剂浇注方法，成功地制造了由可生物降解的PVA、CA和导电AgNPs组成的灵活、透明、可回收和多模式的电子皮肤传感器。这是第一份通过使用含有非透明导电纳米颗粒的导电聚合物复合材料来制造柔性传感器而实现高拉伸性(最高59.6%的应变)和优异透明度(透光率>89%) 的报告。作为可拉伸的应变传感器，所设计的PVA/CA/AgNPs传感器具有各种优点，如宽的感应范围(1-200%)、快速响应(90 ms)和输出信号的出色线性度(相关系数: 0.998)。此外，由于AgNPs的高温度敏感性，该传感器表现出卓越的温度感应能力，具有较高的检测精度(0.1°C)，在30-40°C范围内具有较高的TCR (-0.076/9C)，并且在长期使用时具有很好的耐久性。此外，由于PVA和CA的吸湿性，所制备的传感器具有较高的湿度灵敏度和稳定性，因此可以作为皮肤湿度检测器使用。此外，PVA/CAAgNPs 复合膜具有极高的生物相容性，能够被回收利用，使其对人类皮肤和环境友好。因此，这些功能的完美整合确保了PVA/CA/AgNPs传感器在人体运动检测、温度和湿度监测、个人保健和热管理方面具有潜在的应用。这项工作可能会激励更多的研究人员为下一代绿色可穿戴电子设备和软机器人探索高性能的类肤传感器。

文献链接

Stretchable and transparent multimodal electronic-skin sensors in detecting strain, temperature, and humidity. Nano Energy 96 (2022) 107077.DOI：10.1016/j.nanoen.2022.107077.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107077