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  近期，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系郭傳飛副教授課題組在仿生微結(jié)構(gòu)柔性電子皮膚領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，研究成果發(fā)布在《Advanced Functional Materials》、《Small》、《Advanced Electronic Materials》等國際期刊上。

  郭傳飛課題組的主要研究方向是基于薄膜材料的微納米加工方法、柔性透明電極的制備、納米結(jié)構(gòu)薄膜的生長，以及這些材料在新型光電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和納米能源領(lǐng)域的應(yīng)用。

  觸覺是生物體表感受器受壓力或牽引力作用而引起的，它是生物體從外界環(huán)境獲得信息的重要手段之一。電子皮膚的研究具有重要意義。例如：穿戴假肢可以幫助肢體殘疾人士實(shí)現(xiàn)某些操作需求，但市場上的產(chǎn)品尚不具備觸覺功能，因此假肢也無法幫助他們實(shí)現(xiàn)感知。柔性觸覺傳感器（電子皮膚）是一種將觸覺信號(hào)轉(zhuǎn)換電信號(hào)的電子器件，在可穿戴電子設(shè)備、健康監(jiān)測、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、智能假肢、人機(jī)交互、以及人工智能等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。研究已經(jīng)證明微結(jié)構(gòu)能有效提高柔性觸覺傳感器的性能，例如微金字塔、微柱結(jié)構(gòu)、微球等已經(jīng)被用于制備超靈敏的柔性觸覺傳感器。然而這些微結(jié)構(gòu)通常通過傳統(tǒng)的光刻技術(shù)、化學(xué)刻蝕方法，制備過程復(fù)雜、耗時(shí)、價(jià)格昂貴。制備低成本、簡易、高性能的柔性觸覺傳感器成為當(dāng)前的一大挑戰(zhàn)。

  為了降低制備成本、提高器件傳感性能，郭傳飛課題組從荷葉的超疏水性來源于其表面的微納米結(jié)構(gòu)中受到啟發(fā)，用自然材料作為模板來制備表面微結(jié)構(gòu)。取大自然中的植物作為原始模板、復(fù)寫出植物表面的微結(jié)構(gòu)并噴涂柔性銀納米線電極，構(gòu)建電容型觸覺傳感器（Adv. Electron. Mater. 2018, 4, 1700586），該器件具有較高的靈敏度（1.2 kPa?1）、較快的響應(yīng)速度（36 ms，與人體皮膚響應(yīng)速度相當(dāng)）以及較好的穩(wěn)定性（可重復(fù)循環(huán)檢測10萬次以上而不產(chǎn)生疲勞），這項(xiàng)工作被評(píng)為《Advanced Electronic Materials》月度十大熱點(diǎn)論文之一。

圖為基于荷葉微結(jié)構(gòu)的柔性電子皮膚

  高靈敏的柔性觸覺傳感器越來越成為現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)，為了提升性能，課題組以天鵝絨竹芋為模板，制備了離子凝膠微錐結(jié)構(gòu)陣列用于電容型器件的介電層，其界面雙電層有效地提高了器件的靈敏度（Adv. Funct. Mater. 2018, 1802343）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該器件的靈敏度高達(dá)54.1 kPa?1，是目前文獻(xiàn)報(bào)道的電容式觸覺傳感器最高值。此外，該器件還實(shí)現(xiàn)了低至0.1 Pa的檢測限，以及29 ms的響應(yīng)速度，超過了人體皮膚響應(yīng)速度。

  課題組受植物體多孔三維結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，直接利用干燥的自然材料（例如花瓣、葉片）作為電子皮膚的介電層（Small 2018, 1801657）。研究表明，新鮮的自然植物材料的離子液和電極之間形成的雙電層作用，器件具有較大的電容響應(yīng)，但隨著自然材料干燥水分揮發(fā)，器件的性能穩(wěn)定性較差。通過臨界點(diǎn)干燥處理植物材料，材料本身的幾何構(gòu)架不發(fā)生改變，所制備的器件性能穩(wěn)定，具有較高的靈敏度、較低的檢測限以及較高的穩(wěn)定可靠性，能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測、壓力分布測試等。該工作被評(píng)為月度熱點(diǎn)論文。使用仿生微結(jié)構(gòu)或直接利用自然材料制備柔性觸覺傳感器，能大大簡化制備工藝，降低制備成本，符合可持續(xù)發(fā)展理念，對構(gòu)建環(huán)境友好型柔性電子體系具有重要意義。

  這一系列基于植物模板或自然植物材料的電子皮膚的研究，有效降低了器件制造成本，提高了器件的靈敏度等性能，開辟了一條制備柔性電子器件的新道路。本系列研究中制備的電子皮膚能用于人體健康監(jiān)測、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、人機(jī)交互等，在智能機(jī)器人、智能假肢、可穿戴柔性設(shè)備等方面有潛在的應(yīng)用前景。

  以上論文皆由2016級(jí)碩士研究生萬永彪（目前就職于中國工程物理研究院）和研究助理邱志光作為共同第一作者完成，2016級(jí)研究生洪穎、2017級(jí)研究生黃俊和路鵬、以及2014級(jí)本科生王琪和2015級(jí)本科生楊靜祎參與了部分研究工作，南科大材料系是唯一通訊單位。該項(xiàng)研究得到了廣東創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)、國家自然科學(xué)基金、深圳市孔雀計(jì)劃、青年千人計(jì)劃基金的支持。

  論文鏈接：

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aelm.201700586

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201802343

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201801657