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  近日，青島大學物理科學學院龍云澤教授課題組在電子皮膚領域取得重要進展，相關成果以“Bionic Single-Electrode Electronic Skin Unit Based on Piezoelectric Nanogenerator”為題發表在國際納米領域的頂級期刊《ACS Nano》（Volume 12，pages 8588-8596，DOI: 10.1021/acsnano.8b04244），該期刊SCI影響因子為13.7。該文共同第一作者為博士后王曉雄和碩士生宋威志，青島大學物理學院為第一單位。

  隨著人工智能的快速發展，機器人的仿生研究成為熱點研究課題，特別是用于壓力、溫度傳感的電子皮膚。但是，對人類而言較為困難的數學邏輯等在人工智能領域較為容易實現，簡單的觸覺、視覺等對人類而言非常簡單的感官知覺，在人工智能領域的實現則較為困難。因此本工作使用靜電紡絲高分子PVDF納米纖維的壓電、熱釋電機制集成觸覺和溫度傳感性能，實現仿生皮膚的基本功能。特別是通過合理設計雙電容的電勢對比，將復雜的傳感器陣列雙電極創新性地簡化為單電極器件，從而極大地簡化了電子皮膚的結構。

  用手持式靜電紡絲制備的單電極電子皮膚表現出優異的性能，特別是在抗短路方面，由于只需一組電極，傳感單元本身避免了短路風險。而進一步的研究表明，相鄰單元間的短路也不會導致傳感信號的失真，這是傳統雙電極構型電子皮膚，特別是電阻型電子皮膚所沒有的特性。這一研究一方面設計了新型的仿生電子皮膚，另一方面則提出了一類新型元器件的設計構想，基于這一構想將可設計多種新型電子元件。

圖1.制作單電極電子皮膚。（a）制造工藝流程。（b）靜電紡絲過程中PVDF分子結構的變化。（c）使用手持式靜電紡絲裝置制造電子皮膚的過程的照片。

圖2.兩種不同形式的電子皮膚的結構和屬性。(a) 金電極上的電子皮膚的照片。 (b) PVDF膜的SEM圖像和納米纖維直徑分布圖。(C) 使用ITO電極的電子皮膚。(d) 具有ITO電極的e-皮膚的UV.vis吸收光譜。

圖3.單電極皮膚的工作機制。(a) 電子皮膚的結構和原理。(b，c) 當裝置施加沖擊和釋放應變時，由于壓電效應引起的電信號。(d，e) 應用彎曲和不彎曲時的裝置，由于壓電效應引起的電信號。(f，g) 由于加熱和冷卻時器件的熱電效應引起的電信號。(h，i) 計算電偶極子變化前后的電位分布。

圖4.不同條件下電子皮膚的開路電壓信號：(a) 0.1 Hz以下的重復壓縮沖擊，(b) 相同的壓力下，不同的膜面積，(c) 具有相同的膜面積，壓力不同，(d) 在反復壓縮下沖擊60分鐘，(e) 0.8赫茲反復彎曲和不彎曲。(f) 在相同的對比溫度下施加相同的溫度。(g) 在不同的初始溫度下施加相同的溫度梯度。 (h) 不同條件下PVDF的I.V曲線溫度。

圖5.（a，b，c）手、腳跟和關節模仿拍桌子、走路、跑步和不同頻率的電子皮膚的照片彎曲和相應的輸出電壓。(d) 模擬用帶有電子皮膚的手觸摸并移開熱水杯（約87°C）和相應的輸出電壓。

  除了電子皮膚，該課題組還探索了靜電紡絲納米纖維在壓電-熱電納米發電機（Journal of Materials Chemistry A, 6(8), 3500-3509 (2018)）、無線智能傳感器（Nanoscale, 2018, DOI: 10.1039/C8NR05292A）、藥物釋放與監控（Chemical Engineering Journal,350,645-652 (2018)；349, 554-561 (2018)）、可監控呼吸的納米纖維智能口罩（ACS Applied Materials and Interfaces, 10(23),19863-19870 (2018)）、促進疤痕愈合的傷口敷料（ACS Applied Materials & Interfaces, 9(38), 32545-32553 (2017)）、快速去除室內PM2.5（Nanoscale, 9(12): 4154-4161 (2017)）、水果保鮮膜（Nanoscale Research Letters, 13,239 (2018)）等方面的應用。

  此外，該課題組在研究功能材料（包括電紡納米纖維）的光學性能（Acta Materialia,152, 148-154 (2018)；Optical Materials Express, 8(6), 1425-1434 (2018)）、低溫電學和磁學性能（Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 467, 74-81 (2018)；DOI: 10.1016/j.jmmm.2018.08.046；469(1), 8-12 (2019)）等方面也取得較大進展。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b04244