随着柔性和可穿戴电子技术的迅速发展，未来设备对满足性能、环保和可持续性要求的材料的需求不断增加。当前，柔性电子领域面临的主要挑战之一是兼具卓越机械性能与环境兼容性的材料的匮乏。传统的导电材料，如氧化铟锡（ITO）和金属导体等，虽然在电学性能上表现出色，但在电子废弃物污染日趋严重的背景下，其在柔性、环保以及生态友好性方面存在显著缺陷。因此，寻找可替代的、更加可持续的柔性导电材料成为了行业亟需解决的问题。近年来，天然生物高分子材料，特别是蚕丝蛋白（SF），因其良好的生物降解性、机械强度和可持续性，成为柔性电子的理想材料。然而传统的方法往往将天然材料与非可持续的导电填料相结合，这不仅引入了有毒副产品，还导致了材料的不可持续性。而采用离子导体材料，通过生物高分子与各种盐类的协同作用，可以实现结构与功能的有效融合。然而，SF作为功能性离子导体在柔性电子器件领域的应用尚未得到充分探索。
图1、SFITS的结构、特性及应用示意图
近期，上海科技大学物质学院凌盛杰教授课题组团队与盐城工学院纺织服装学院叶超老师合作，将SF应用于离子导电器件，并结合湿度诱导结晶策略优化其分子结构，在保持其优异离子导电性基础上，提升机械性能和环境稳定性。该材料不仅具备高弹性及与人体组织力学匹配的力学特征，还具有可回收利用性和生物可降解性，为可持续柔性电子技术提供了新的解决方案。在此基础上，通过表面电容技术、物联网（IoT）和人工智能（AI）技术的结合成功开发了绿色环保、智能化的电子触摸屏设备（SFITS），能够实现实时触摸感应、远程控制、手写字符识别和虚拟现实（VR）接口等多种应用，展现了其在可持续智能可穿戴电子领域的广阔前景（图1）。相关工作以“Sustainable Silk Fibroin Ionic Touch Screens for Flexible Biodegradable Electronics with Integrated AI and IoT Functionality”为题发表在《Advanced Materials》。
如图2a-g所示，时间分辨红外光谱和广角X射线散射证实，湿度诱导策略温和地调整了丝蛋白离子导体的构象，在材料内部形成了稀疏的β-折叠晶体，有利于材料强度和弹性的提升。系统地材料性能测试表明，SFITS的断裂强度高达4.69MPa，断裂应变超过1500%，其真应力-应变曲线中存在应变硬化现象，表现出类皮肤的力学行为。此外，SFITS还具有高弹性，在100次200%循环应变下，显示出良好的可回复性和低滞后性，滞后值仅为21%，可与橡胶材料相比较（图2h-j）。进一步地，环境耐久测试表明，SFITS具有较好的环境稳定性，其电学性能、力学性能及外观尺寸在长达数月的室内环境甚至室外极端环境变化下，仍具有良好的稳定性（图2k-m）。回收和降解作为电子器件完整生命周期中的重要一环，对于生态环保具有重要意义。如图2n-o所示，SFITS可通过热水或甲酸进行回收利用，并且回收后的器件在各项关键性能上与原始器件没有明显区别。此外，该丝蛋白离子导体器件可通过蛋白酶完全降解为氨基酸或寡肽（图2p）。
基于SFITS材料良好的综合性能，研究者团队采用表面电容技术开发了基于SFITS的触摸屏。表面电容技术虽然在商业触摸屏中已有广泛应用，但目前大多数商用触摸屏依赖刚性ITO导电玻璃作为基底，这极大地限制了其在柔性和可穿戴领域的应用。为了解决这一问题，早前的研究通过引入柔性电极材料，如银纳米线、金属网、导电聚合物、聚合物基水凝胶和碳纳米材料，提升了触摸屏的柔性。然而，这些材料的高成本以及电子废弃物的产生，限制了其可持续发展。相比之下，SFITS材料具有高透明度、类皮肤机械特性和良好的可持续性能，具备制造环保可持续、高可拉伸和超柔性可穿戴触摸屏的潜力，尤其适用于人机界面和可穿戴电子产品。研究者通过一维SFITS触控条带的实验示范，阐释了基于表面电容技术的电压变化触摸位置检测原理。在实验中，当手指触碰SFITS条带时，触点会引起电流流动，该电流与手指的触摸位置有关，从而引起外部电阻两端的电压变化。通过监测不同触摸点的电压变化，便可精确定位手指位置（图3a-c）。同时，SFITS显示出优异的响应速度和高压敏感性，在不同采样频率下均能清晰读取触摸信号，响应时间为670 ms至10 ms不等，满足不同应用场景需求。此外，在100%拉伸状态下，SFITS仍能可靠地识别触摸点的位置变化，并且恢复原长后，仍具有精准定位能力（图3d-i）。通过动态连续触碰演示，SFITS还能够实时检测滑动手势，适用于游戏控制，如飞行器避障等多种应用场景。进一步地，SFITS在二维平面上精准触摸定位功能可通过四个电极和外部电阻的连接实现（图3j-n）。其定位原理通过将二维平面简化成两个方向上的一维条带，从而确定横纵方向的触摸位置。研究者通过九宫格触摸点的实验验证其定位精度以及电场有限元仿真分析发现，SFITS在二维平面定位过程中，在边缘位置存在一定的非线性误差，针对这一问题，研究团队采用了径向基函数映射算法有效地校正了定位误差，确保了整个触摸区域的高精度定位。校正后的SFITS可灵活安装在人体等非平面表面上，实现精确控制，如调节手机音量、切换歌曲和执行播放/暂停操作等（图3o-r）。
最后，研究者展示了基于SFITS的多功能智能应用系统。通过与IoT和AI技术的结合，SFITS系统不仅能够精确记录触摸和滑动手势的坐标数据，还可以实时处理并将信号传输到不同的功能模块，支持远程触控、手写识别、智能人机交互等多种应用。研究团队开发了四种基于SFITS的智能应用。首先，通过精准的触摸位置识别，结合IoT技术，SFITS可用于远程家电设备的控制。其次，利用卷积神经网络模型实现手写字符识别功能，能够将手写字符准确转化为ASCII编码字符，拓展了SFITS在生成式大语言模型和VR控制应用中的潜力。这些创新展示了SFITS在绿色环保、智能可穿戴柔性电子领域的广泛应用前景，为未来可持续、智能化电子设备的发展奠定了基础。总结：该研究成功开发并展示了蚕丝蛋白离子导体作为可持续高性能柔性电子材料的潜力。通过利用SF的独特性质，如良好的生物可降解性、可调节的结构与性能，开发了一种高弹强韧、绿色环保可持续的触摸屏器件。此外，SFITS与IoT和AI技术的结合，极大扩展了其应用功能，包括实时触摸感应、远程控制、手写识别和虚拟现实界面等。这些能力展示了SFITS的多样性和可扩展性，适用于下一代电子应用。SFITS通过绿色回收工艺可再生，确保与可持续发展目标的一致性，为日益严重的电子废弃物问题提供了可行的解决方案。总的来说，该研究强调了可持续离子导体在推动柔性电子领域发展的重要潜力，为未来绿色、智能化、多功能化电子设备提供了新的思路。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202412972
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