近年来提出的离电传感器作为一类基于类生物离子传感机制的新型柔性压力传感器，在人造器件和生物组织之间架起了一座稳固的桥梁。其中，电容式离电传感器既保留了传统电容式传感器结构简单、响应快、稳定性高、检测范围宽等固有优势，又能够基于离-电双电层显著提高其灵敏度，因此受到了广泛关注。现有的电容式离电传感器工作时通常需要一部与两个电极相连的外加交流电源，然而，使用外加交流电源不仅会增加传感系统的能量消耗，交流电频率还可能会对传感性能造成影响，进而影响器件的稳定性和复杂度。因此，开发不依赖于外部电源的自供电离电传感器至关重要。现有关于自供电压力传感器的研究主要基于压电和摩擦电原理，开发具有高灵敏度的无源离电传感器并系统研究其传感性能仍然充满挑战。鉴于此，西安交通大学卢同庆教授与刘建星助理教授提出了一类基于动态双电层的无源电容式离电传感单元（SICSU），该传感单元在电荷输出模式下具有高达24270pC/N的灵敏度，超出大多数压电传感单元大约10倍，同时也具有较好的线性度等综合性能。通过原位表征水凝胶-电极的接触界面，揭示了传感单元高灵敏度和线性度的内在机制，并系统研究了设计参数和载荷条件对传感单元电荷灵敏度的影响规律。得益于传感单元的高灵敏度和柔顺性，制备的离电传感器能够有效、舒适地监测人体活动。此外，基于该传感单元设计制造的人造痛觉传感器能够实现类似于人体皮肤检测尖锐物体等有害刺激的功能。
人体皮肤含有多种机械感受器，如自由神经末梢、麦斯纳氏小体和帕西尼小体等，它们分别用于感知不同类型的外界信号，包括轻微触觉、低频/高频振动、疼痛刺激等，这些机械感受器都是通过力引起的离子在细胞膜上的蛋白通道中迁移来实现其功能。该工作提出的SICSU可以实现类似生物感受器的离子基和无源传感特性（图1）。与生物机械感受器中的细胞类似，SICSU在没有刺激的稳态条件下不存在离子迁移，在受到外部机械刺激时，压力会导致上下界面之间存在非平衡的双电层电容，并驱动离子在两个电极之间迁移。值得注意的是，SICSU中的初始双电层是基于表面电势差自发形成的，而不依赖于外加电场。该传感单元的功能实现基于外部载荷引起的双电层电容量的动态变化，因此与压电等其它类型的无源传感原理类似，更适合检测动态刺激。不考虑外部匹配电路的影响，将文献中最新报道的代表性压电材料与SICSU的电荷灵敏度实验结果进行直接对比可以看出，该工作提出的SICSU可实现的电荷灵敏度（24270 pC/N）不仅远高于在柔性传感器领域常用的PVDF压电聚合物（通常小于100 pC/N），而且还超过了大多数压电材料约10倍。此外，实验结果表明，SICSU的电荷输出和载荷输入之间具有较好的线性关系（R2=0.99）。
图1 无源电容式离电传感单元（SICSU）的仿生传感机制和高电荷灵敏度该工作所提出的SICSU传感单元的高灵敏度主要归因于两个因素，即水凝胶的高柔性和动态双电层极大的电荷密度。前者保证了在轻微压力作用下半球形水凝胶就会发生大变形，从而使得水凝胶-电极界面的接触区域发生显著变化。同时，后者则保证了在水凝胶-电极界面接触区域改变时电荷量的明显变化。为阐明这一机制，研究人员搭建了一套实验测试系统，在测量SICSU传感性能的同时，实现了水凝胶-电极界面接触面积的原位表征，并结合实验结果和理论模型分别建立了SICSU的载荷-界面关系和界面-电荷关系（图2）。图2 水凝胶-电极界面与输入载荷和输出电荷之间的关系此外，SICSU的传感性能可以通过丰富的设计参数大幅调控，如电极种类、离子种类、离子浓度和交联密度等，保证了SICSU的设计灵活性（图3）。在这些设计参数中，交联密度通过调节水凝胶模量来影响电荷灵敏度，而其他三个参数则是通过改变界面电双层电荷密度来调节灵敏度的。除了高灵敏度和线性度，SICSU的综合表现也令人满意，其响应/恢复速率为9/19 ms，性能在无封装条件下循坏测试500次可以基本保持稳定，且线性范围可以通过增加半球形水凝胶的尺寸来进一步增强。此外，在1-10 Hz的频率范围内，SICSU对动态信号的电荷灵敏度基本保持不变，在50 Hz时衰减不到30%，因此其可实现人体活动相关信号的可靠监测。鉴于对动态刺激的高灵敏度、无源、水凝胶基等特点，所提出的SICSU传感单元可以用于构建实时、高效、舒适的可穿戴传感器，用于健康监测和人机交互等领域。例如，基于简单SICSU阵列构造的可穿戴压力传感器，即可用于监测多种人体运动，如说话、拳击、挥手、吹气、抓握等。无需外加交流电源的优势可以使器件系统的能量消耗和设备复杂度大大降低，从而开发更加便携的力学传感器。图4 用于探测人体活动信号的可穿戴SICSU传感器除了应用于健康监测和人机交互，SICSU还可以用于构造能够以自供电模式检测微小触摸甚至有害刺激的人造皮肤。例如，当手被尖锐物体刺伤时会表现出退缩反射行为，这种缩手反射的实现需要感觉系统（皮肤）、运动系统（肌肉）和低级神经中枢（脊髓）的协调运作。研究人员基于提出的SICSU传感单元设计制造了一种痛觉传感器，将其集成到机械手的手指上作为人造皮肤，并结合单片机（控制器）和舵机（驱动器），实现了一套感知-驱动一体化系统，能够模仿人手的退缩反射行为（图5）。基于SICSU的仿生痛觉传感器能够方便有效地识别物体的锐利程度，当机械手的食指与笔尖轻微接触后，手会突然张开并在短时间（约0.1秒）内缩回，而当触摸笔的钝端时则不会表现出这种缩手反射行为。图5 集成SICSU痛觉传感器的机械手可模仿人类的缩手反射。该研究以“Self-Powered Iontronic Capacitive Sensing Unit with High Sensitivity in Charge-Output Mode”为题发表于Advanced Functional Materials，西安交通大学航天航空学院助理教授刘建星和香港科技大学物理系博士生刘海洋为论文共同第一作者，西安交通大学航天航空学院卢同庆教授为论文通讯作者，参与研究的还有博士生郭浩宇和硕士生黄林炜。论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202412377
来源：高分子科学前沿
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