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南方科技大學(xué)提出皮膚-電極界面?zhèn)鞲心Ｊ?/h1>
作者：本站收錄
來源：MEMS
日期：2021-08-24 09:18:32
摘要：近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授郭傳飛團(tuán)隊在柔性傳感技術(shù)研究方面取得進(jìn)展。
近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授郭傳飛團(tuán)隊在柔性傳感技術(shù)研究方面取得進(jìn)展。該團(tuán)隊提出了“皮膚-電極界面?zhèn)鞲心Ｊ健?，通過簡單地在皮膚表面貼附電極即可實現(xiàn)高靈敏度、高分辨率的觸覺傳感功能，為人體表皮傳感技術(shù)和可穿戴電子技術(shù)領(lǐng)域提供了一種全新的思路，相關(guān)論文以“Skin-Electrode
Iontronic Interface for Mechanosensing”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Nature Communications。
人體皮膚具有觸覺感知功能，可以感受到外界的力刺激，是人類與外界交互的重要器官。然而，一部分人群可能因為患病或神經(jīng)受損等原因喪失部分觸覺功能，因此，需要開發(fā)一種表皮傳感器件，幫助觸覺功能障礙的人群恢復(fù)觸覺。除了以上需求，人類還需要表皮電子器件或可穿戴設(shè)備采集人體生理信號，以實時監(jiān)測人體健康狀態(tài)。但已有的傳感器通常為多層結(jié)構(gòu)，其中一種靈敏度極高的離-電型器件通常需要用到一層離子凝膠或水凝膠材料，這層離子材料可以和電極之間形成雙電層，從而提供極高的界面電容密度。但是，離子凝膠往往具有毒性，而水凝膠則容易脫水。此外，多層的器件結(jié)構(gòu)難以在皮膚上長期穩(wěn)定貼附，透氣性不好，可能會帶來皮膚炎癥等問題。因此，在人體表面貼附電子皮膚往往不具有實用性。
研究團(tuán)隊提出的“皮膚-電極界面?zhèn)鞲小备拍?，直接用人體皮膚作為觸覺傳感器的活性材料。人體皮膚是一種天然水凝膠，它能長期保持穩(wěn)定的離子導(dǎo)電性。通常，人體皮膚表面的多孔角質(zhì)層和汗液形成一層天然的含水多孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)電極與皮膚接觸時，電極中的自由電子和皮膚汗液里的離子可形成離-電界面，其電容的大小由電極和皮膚的接觸面積決定。因此，在上述電極中引入微結(jié)構(gòu)，其受壓電極和皮膚之間發(fā)生接觸面積變化，通過測量電容即可獲取壓力信息。
這種皮膚-電極界面?zhèn)鞲薪Y(jié)構(gòu)的靈敏度最高可達(dá)到11.8
kPa?1，超過了多數(shù)報道的電子皮膚。這使得它能夠靈敏地感應(yīng)體外的壓力刺激信息以及人體內(nèi)微弱的生理信號，例如，它可以探測到指尖脈搏中豐富的細(xì)節(jié)信息。這種傳感器的信號非常穩(wěn)定，即使出汗也能準(zhǔn)確地測出脈搏信號。另外，這種傳感器具有很好的抗干擾能力，日常運動包括走路和擺臂都不會影響壓力信號的提取，相反，器件還能記錄到人體的運動信息。
此外，這種皮膚-電極界面?zhèn)鞲心Ｊ揭部梢杂糜诳纱┐髟O(shè)備。團(tuán)隊設(shè)計了一個基于這種界面?zhèn)鞲性淼闹悄苁痔?，它可靈敏地測試出抓取過程中手指和手掌各部分的壓力分布。這種智能手套有望用來幫助觸覺功能障礙的人群恢復(fù)觸覺功能。
南科大材料科學(xué)與工程系研究助理朱胖、碩士生侯星宇，以及來自于麻省理工學(xué)院機械工程系博士生杜匯豐為該論文的共同第一作者。郭傳飛和麻省理工學(xué)院教授方絢萊為文章的共同通訊作者，南科大是論文第一單位。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省珠江人才計劃創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊、深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究項目等基金的資助。
近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授郭傳飛團(tuán)隊在柔性傳感技術(shù)研究方面取得進(jìn)展。該團(tuán)隊提出了“皮膚-電極界面?zhèn)鞲心Ｊ健?，通過簡單地在皮膚表面貼附電極即可實現(xiàn)高靈敏度、高分辨率的觸覺傳感功能，為人體表皮傳感技術(shù)和可穿戴電子技術(shù)領(lǐng)域提供了一種全新的思路，相關(guān)論文以“Skin-Electrode Iontronic Interface for Mechanosensing”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Nature Communications。
人體皮膚具有觸覺感知功能，可以感受到外界的力刺激，是人類與外界交互的重要器官。然而，一部分人群可能因為患病或神經(jīng)受損等原因喪失部分觸覺功能，因此，需要開發(fā)一種表皮傳感器件，幫助觸覺功能障礙的人群恢復(fù)觸覺。除了以上需求，人類還需要表皮電子器件或可穿戴設(shè)備采集人體生理信號，以實時監(jiān)測人體健康狀態(tài)。但已有的傳感器通常為多層結(jié)構(gòu)，其中一種靈敏度極高的離-電型器件通常需要用到一層離子凝膠或水凝膠材料，這層離子材料可以和電極之間形成雙電層，從而提供極高的界面電容密度。但是，離子凝膠往往具有毒性，而水凝膠則容易脫水。此外，多層的器件結(jié)構(gòu)難以在皮膚上長期穩(wěn)定貼附，透氣性不好，可能會帶來皮膚炎癥等問題。因此，在人體表面貼附電子皮膚往往不具有實用性。
研究團(tuán)隊提出的“皮膚-電極界面?zhèn)鞲小备拍?，直接用人體皮膚作為觸覺傳感器的活性材料。人體皮膚是一種天然水凝膠，它能長期保持穩(wěn)定的離子導(dǎo)電性。通常，人體皮膚表面的多孔角質(zhì)層和汗液形成一層天然的含水多孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)電極與皮膚接觸時，電極中的自由電子和皮膚汗液里的離子可形成離-電界面，其電容的大小由電極和皮膚的接觸面積決定。因此，在上述電極中引入微結(jié)構(gòu)，其受壓電極和皮膚之間發(fā)生接觸面積變化，通過測量電容即可獲取壓力信息。
這種皮膚-電極界面?zhèn)鞲薪Y(jié)構(gòu)的靈敏度最高可達(dá)到11.8 kPa?1，超過了多數(shù)報道的電子皮膚。這使得它能夠靈敏地感應(yīng)體外的壓力刺激信息以及人體內(nèi)微弱的生理信號，例如，它可以探測到指尖脈搏中豐富的細(xì)節(jié)信息。這種傳感器的信號非常穩(wěn)定，即使出汗也能準(zhǔn)確地測出脈搏信號。另外，這種傳感器具有很好的抗干擾能力，日常運動包括走路和擺臂都不會影響壓力信號的提取，相反，器件還能記錄到人體的運動信息。
此外，這種皮膚-電極界面?zhèn)鞲心Ｊ揭部梢杂糜诳纱┐髟O(shè)備。團(tuán)隊設(shè)計了一個基于這種界面?zhèn)鞲性淼闹悄苁痔?，它可靈敏地測試出抓取過程中手指和手掌各部分的壓力分布。這種智能手套有望用來幫助觸覺功能障礙的人群恢復(fù)觸覺功能。
南科大材料科學(xué)與工程系研究助理朱胖、碩士生侯星宇，以及來自于麻省理工學(xué)院機械工程系博士生杜匯豐為該論文的共同第一作者。郭傳飛和麻省理工學(xué)院教授方絢萊為文章的共同通訊作者，南科大是論文第一單位。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省珠江人才計劃創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊、深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究項目等基金的資助。
