材料學(xué)院劉鍇課題組在新型柔性觸覺(jué)傳感器研究方向取得新進(jìn)展
????????近日，國(guó)際著名材料期刊《Advanced Functional Materials》正式刊出了我院劉鍇課題組《多用途的超靈敏、低電壓驅(qū)動(dòng)的非對(duì)稱離子傳感凝膠》（Ultrasensitive, Low-Voltage Operational, and Asymmetric Ionic Sensing Hydrogel for Multipurpose Applications）的研究論文。該研究開(kāi)發(fā)了一種新的柔性觸覺(jué)傳感機(jī)理并制備了關(guān)鍵性能指標(biāo)優(yōu)越的柔性觸覺(jué)傳感器，并被選為當(dāng)期的back cover論文。
????????目前絕大多數(shù)的柔性觸覺(jué)傳感器主要通過(guò)基于壓阻效應(yīng)、電容效應(yīng)、壓電效應(yīng)和摩擦電效應(yīng)等依賴于電子行為的機(jī)制進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，雖然能夠應(yīng)用在電子皮膚和可穿戴器件等領(lǐng)域，但與生物體內(nèi)基于離子行為的傳感機(jī)制仍然存在差異。為了模擬和兼容生物組織內(nèi)的重要活動(dòng)，研究電子器件和生物組織相互作用，并擴(kuò)展柔性觸覺(jué)傳感器在仿生機(jī)器人和生物電子學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用，近年來(lái)對(duì)基于水凝膠材料的新型柔性觸覺(jué)傳感器的研究逐漸受到人們的重視。然而，這類柔性觸覺(jué)傳感器通常利用電容效應(yīng)引起的離子運(yùn)動(dòng)作為壓力響應(yīng)機(jī)理，其壓敏性能距離實(shí)際應(yīng)用尚有一定差距。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)出基于新機(jī)理的高性能柔性水凝膠觸覺(jué)傳感器。
????????針對(duì)這一關(guān)鍵問(wèn)題，清華大學(xué)材料學(xué)院劉鍇副教授、西安交通大學(xué)張磊教授與清華大學(xué)材料學(xué)院伍暉副教授、化學(xué)系張瑩瑩副教授、物理系范守善院士等課題組緊密合作，利用類似于生物組織的水凝膠材料，設(shè)計(jì)并制備了負(fù)載有銀納米顆粒、具有非對(duì)稱表面結(jié)構(gòu)的丙烯酸水凝膠復(fù)合物——AISH（Asymmetric Ionic Sensing Hydrogel），從而構(gòu)建出基于以非對(duì)稱界面化學(xué)反應(yīng)和離子電流傳導(dǎo)作為壓力傳感機(jī)理的高性能柔性觸覺(jué)傳感器。實(shí)驗(yàn)證明，由于凝膠非對(duì)稱的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，器件會(huì)自發(fā)產(chǎn)生一個(gè)很小的電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)調(diào)節(jié)外電路電壓，使之與器件自發(fā)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)相匹配，可以調(diào)控電路的初始電流達(dá)到一個(gè)極小的值。另外，器件的兩個(gè)銅箔電極與凝膠界面處的銀離子可以發(fā)生非對(duì)稱的化學(xué)置換反應(yīng)，當(dāng)器件受到壓力作用時(shí)，會(huì)極大地改變離子傳導(dǎo)電流，使器件具有高度的靈敏性。經(jīng)過(guò)試劑配比優(yōu)化，該凝膠器件具備超高靈敏度（171 kPa-1）、超低檢測(cè)限（0.075 Pa）、較低的工作電壓（0.02 V）和長(zhǎng)使用壽命（循環(huán)使用1500次以上），并可以精準(zhǔn)地記錄脈搏信號(hào)和聲壓信號(hào)，而且可以在埋入水下時(shí)探測(cè)水面的微小波動(dòng)，具有超靈敏的檢測(cè)能力和寬廣的適用范圍。
????????這一工作成功制備了一類基于化學(xué)反應(yīng)和離子傳導(dǎo)新機(jī)理的高性能柔性觸覺(jué)傳感器件，證明了這種器件在生物電子學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，在獲得高性能柔性觸覺(jué)傳感器的同時(shí)佐證了基于界面化學(xué)反應(yīng)的壓力傳感機(jī)理的可行性。
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?????????清華大學(xué)材料學(xué)院為該論文第一完成單位。該論文第一作者為清華材料學(xué)院訪問(wèn)學(xué)生、西安交通大學(xué)博士研究生丁翰元；通訊作者為劉鍇副教授和張磊教授。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部霍英東基金等科學(xué)項(xiàng)目的支持。
????????文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201909616
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