模擬人類皮膚三個基本功能(感知、保護和體溫調節)的電子皮膚(e-skin)的發展對于人機界面和智能機器人具有巨大的潛力。然而，現有的研究主要集中在感知上。這項研究提出了一種新的，生態友好的，機械堅固的電子皮膚，復制人類皮膚的三個基本功能。電子皮膚由Ti3C2Tx MXene、聚吡咯和細菌纖維素納米纖維組成，其中MXene納米片形成基質，細菌纖維素納米纖維充當填料，聚吡咯充當導電“交聯劑”。這種設計允許定制電導率、微結構和機械性能，集成傳感(感知)、EMI屏蔽(保護)和熱管理(溫度調節)。最佳的電子皮膚可以有效地感應各種運動(包括微小的動脈脈沖)，在78微米厚度下實現63.32 dB的EMI屏蔽效率，并在2.4 V下在30秒內將溫度調節至129℃，展示了其在復雜場景下智能機器人的潛力。
圖 1. (a)電子皮膚準備過程的示意圖。(b–e)ti 3c 2 tx MXene(b)、細菌纖維素(c)、PPy@BC (d)和MPB e-skin (e)的TEM圖像。插圖(d):公元前PPy的放大圖。(f–g)MXene(f)和MPB e-skin (g)的SEM圖像。(h)MPB電子皮膚膠片的光學圖像。(I)電子皮膚橫截面的EDS分析。(j)ti 3 ALC 2 MAX、Ti3C2Tx MXene、BC、PPy@BC和MX/PPy@BC e-skin的XRD圖案。(k)PPy @ BC和MPB e-skin的FTIR光譜。Ti3C2Tx MXene和MPB e-skin的(l，m) C 1s (l)和Ti 2p (m)高分辨XPS譜。MPB-2用于收集圖(j)至(m)所示的數據。
圖 2. (a)具有不同MXene比例的不同電子表皮的電導率。(b)具有不同PPy比例的不同電子皮膚的電導率。(c)不同電子皮膚和對照的應力-應變曲線。(d)具有不同MXene比例和對照的不同電子皮的拉伸強度。(e)具有不同PPy比例和控制的不同電子皮膚的拉伸強度。(f)說明拉伸強度、PPy重量%和BC重量%之間關系的3D圖。(g)展示電子皮膚在200克重量下的機械強度的光學圖像。(h)本研究中的電子皮膚與其他報道的電子皮膚材料的拉伸強度比較。b、d和e部分中的灰色數據點對應于相應的對照。(I)通過在循環彎曲測試期間點亮一個商業LED來展示電子皮膚的導電性和柔韌性的光學圖像。
圖3. (a)說明了電子皮膚在監測不同長度尺度的不同人體運動方面的多功能性。(b)描述電子皮膚傳感機制的示意圖。(c–h)分別在手指彎曲、手臂彎曲、腿部彎曲、尺子振動、說“嗨”和“1”到“5”時喉部肌肉運動以及手腕脈搏檢測期間，電子皮膚中的實時電阻變化。
圖 4. (a)電子皮膚的電磁干擾屏蔽效率。(b，c)電子皮膚的EMI集、SEA和SER。(d) EMI SE作為電子外殼中PPy重量%的函數。(e) EMI SE作為電子皮膚電導率的函數。(f，g)不同電子皮膚的反射(R)、透射(T)和吸收(A)的功率系數。(h)經過循環彎曲試驗(曲率半徑:1 cm)后，電子蒙皮的EMI SE。(I)e-skins與其他MXene基EMI屏蔽膜的電磁屏蔽性能的比較。紅色的星星，從下到上，分別對應于樣品MPB-2到MPB-4。箭頭表示在EMI屏蔽材料中優選高EMI SE和低薄膜厚度。(j)電子皮膚的電磁屏蔽機制。c–g中的灰色實線是眼睛的向導。
圖 5. (a)說明電子皮膚電氣特性的電流-電壓曲線。(b)電子皮膚在不同驅動電壓下的溫度響應。(c)描繪作為施加電壓的函數的電子皮膚的溫度的圖。基于焦耳定律擬合了實驗數據點(紅色實線)，揭示了e-皮膚溫度和電壓的平方之間的比例關系。(d)紅外(IR)圖像，捕捉不同驅動電壓下電子皮膚的飽和溫度。(e)在2 V的恒定驅動電壓下，電子皮膚的循環加熱性能。(f)電子皮膚調節“身體”溫度(冷水)能力的演示。光學圖像(左側)顯示了與“身體”接觸的電子皮膚，紅外圖像(右側)描繪了在1.8 V驅動電壓下“身體”溫度的時間演變。
相關科研成果由同濟大學Wei Lu，Bin Yuan，Xiang Li等人于2024年發表在Nano Letters（https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02583）上。原文：Robust and Environmentally Friendly MXene-Based Electronic Skin Enabling the Three Essential Functions of Natural Skin: Perception, Protection, and Thermoregulation
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02583
轉自《石墨烯研究》公眾號
