Adv. Funct. Mater.：人机交互新方式-定向分布碳纳米管构成的多功能可穿戴电子皮肤

【引言】

基于定向排列的碳纳米管（AFWCNT）聚合物复合材料的新型多功能电子皮（E-skins），具有不同于随机分散的CNT聚合物复合材料。本文主要研究了“隧道电流通道”理论的压阻功能机理。电子皮肤的高性能源于其中嵌入的柔性复合材料中的AFWCNT阵列，具有导电各向异性，以及“管对管”界面电阻对弯曲或拉伸的响应性。基于聚合物/AFWCNT的屈曲敏感电子皮肤表现出具有高精度和线性度，以及低功耗（<10μW）和良好的稳定性（15000次弯曲-无弯曲循环后无衰减）。此外，聚合物/AFWCNT复合材料也能用于对张力对张力高度敏感的拉敏皮肤的构建。

【成果简介】

近日，南京大学、美国杜克大学刘杰教授（通讯作者）及南京大学金钟教授（通讯作者）和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所陈立桅（通讯作者）在Adv. Funct. Mater.上发表了题为“Versatile Electronic Skins for Motion Detection of Joints Enabled by Aligned Few-Walled Carbon Nanotubes in Flexible Polymer Composites ”的文章。该团队证明了定向排列的碳纳米管直径为3-5nm）的阵列可以作为有效的各向异性导电填料，优于随机分散的CNT在柔性复合材料中的制备。半透明屈曲敏感电子皮肤具有耐疲劳性好，精度高，功耗低（<10μW），制造工艺简单等优点。除了应用于屈曲敏感的电子皮肤之外，聚合物/AFWCNT复合材料还可以用于构建拉伸敏感的拉敏电子皮肤皮肤，用于检测具有大的延伸比的拉伸。

【图文导读】

图1 基于PMMA/AFWCNT复合材料的屈曲敏感电子皮肤的制备工艺和形态

（a）制造工艺的示意图；

（b）从FWCNT森林（顶部）绘制的AFWCNT阵列的光学图像和附着在表面（底部）上的AFWCNT阵列的弯曲PET基底；

（c）酒精处理后铺在PET上的AFWCNT阵列的SEM图；

（d）铺在PET上的AFWCNT阵列的表面特征的地形AFM图像；

（e）PMMA/AFWCNT复合材料的地形AFM图像；

（f）偏置电压为3.0V时的相应导电AFM图像；

（g）基于PMMA/AFWCNT复合材料的弯曲屈曲敏感电子皮肤的光学图像。

图2 基于PMMA / AFWCNT复合材料的屈曲敏感电子皮肤的性能

（a）PMMA/AFWCNT复合材料屈曲敏感电子皮肤3D结构的图示；

（b）非弯曲（实线）和弯曲状态（虚线和曲线）的电子皮肤示意图；

（c）非弯曲（θ=0°）和弯曲（θ=70°）状态下的E皮肤的I-V曲线和光学图像；

（d）当弯曲角度θ逐步改变时，E皮肤的电流变化ΔI作为时间的函数；

（e）由面板（d）计算的E皮肤的归一化电流变化ΔI/IU作为弯曲角度θ的函数;空心圆表示实际实验数据，红线表示线性拟合数据；

（f）在各种弯曲角度的三次重复弯曲-弯曲循环期间作为时间的函数的ΔI/ IU；

（g）屈曲敏感的E皮肤从非弯曲状态到不同弯曲状态的响应时间（f）;中空矩形表示实际响应时间，红线表示线性拟合数据；

（h）弯曲角度为70°的弯曲和不弯曲循环的弯曲敏感E皮肤的老化实验（上图）；三个底图分别显示了测试过程的初始，中期和结束阶段的一些典型周期。

图3 基于PMMA/AFWCNT的屈曲敏感电子皮肤和控制装置的性能和功能机理比较

（a）Al/PMMA/AFWCNT/PET复合E-Skin（黑线）和控制装置（Al/AFWCNT/PET，红线；Al/PMMA/RCNT/PET，蓝线；Al/RCNT/PET，紫色线）作为未弯曲状态下的施加电压的函数；

（b）在施加电压为0.1V的Al/PMMA/AFWCNT/PET电子皮肤和控制装置的70°时典型的弯曲-不弯曲循环；

c）Al/PMMA/AFWCNT/PET皮肤（i和ii）和Al/PMMA/RCNT/PET控制装置（iii和iv）；

（d）通过vander Pauw方法对PMMA/CNT复合材料样品的电气特征的装置设置的示意图（左图）和顶视图（右图）；

（e）施加电流输入为10μA的Al/PMMA/AFWCNT/PET E皮肤（黑点）或Al/PMMA/RCNT/PET控制装置（红点）上的一个特定相邻电极对的电位滴其他相邻电极对。I21V34的典型x刻度表示：从电极②向电极①输入恒定电流（10μA），并监视电极③和④之间的电位降。

图4 基于PDMA/AFWCNT复合材料的基于PMMA/AFWCNT复合材料和拉伸敏感电子皮肤的屈曲敏感电子皮肤试验

（a）在Kepton聚酰亚胺胶带辅助下，示出了用于检测肢体关节运动的屈曲敏感电子皮肤的应用示意图（左）和附着在手指上的PMMA / AFWCNT E-skin的光学图像（右）；

（b）在施加电压为0.1V的手指弯曲 - 弯曲周期期间屈曲敏感的E皮肤的电流变化。插入物显示在弯曲状态下固定在手指上的屈曲敏感的电子皮肤的光学图像；

（c）示意图和（d）基于PDMS/AFWCNT复合材料的拉伸敏感电子皮肤的性能。拉伸敏感电子皮肤的电阻在拉伸释放循环期间在恒定施加电压为0.1V的不同应变下测量。插入物显示了制备的拉伸敏感电子皮肤的光学图像。

【小结】

该研究团队基于定向分布的碳纳米管，聚碳酸酯与AFWCNT复合材料的压阻电子皮肤，具有器件结构简单，精度高，响应快，稳定性好，功耗低等优点。预计具有各向异性感测能力的这些新型器件可能是未来仿生机器人和可佩戴智能探测器应用的有前景的候选者。

Wiley链接：http://www.materialsviewschina.com/2017/06/25350/（转载wiley中国官网）

文献链接：Versatile Electronic Skins for Motion Detection of Joints Enabled by Aligned Few-Walled Carbon Nanotubes in Flexible Polymer Composites（Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201606604）

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