基础研究|南方科技大学在仿生电子皮肤研究取得新进展

近期，南方科技大学材料科学与工程系副教授郭传飞课题组在仿生微结构柔性电子皮肤领域取得重要进展，研究成果发布在《 Advanced Functional Materials 》、《 Small 》、《 Advanced Electronic Materials 》等国际期刊上。

郭传飞课题组的主要研究方向是基于薄膜材料的微纳米加工方法、柔性透明电极的制备、纳米结构薄膜的生长，以及这些材料在新型光电子学、生物医学和纳米能源领域的应用。

触觉是生物体表感受器受压力或牵引力作用而引起的，它是生物体从外界环境获得信息的重要手段之一。电子皮肤的研究具有重要意义。例如：穿戴假肢可以帮助肢体残疾人士实现某些操作需求，但市场上的产品尚不具备触觉功能，因此假肢也无法帮助他们实现感知。柔性触觉传感器（电子皮肤）是一种将触觉信号转换电信号的电子器件，在可穿戴电子设备、健康监测、运动监测、智能假肢、人机交互、以及人工智能等领域有着巨大的应用前景。研究已经证明微结构能有效提高柔性触觉传感器的性能，例如微金字塔、微柱结构、微球等已经被用于制备超灵敏的柔性触觉传感器。然而这些微结构通常通过传统的光刻技术、化学刻蚀方法，制备过程复杂、耗时、价格昂贵。制备低成本、简易、高性能的柔性触觉传感器成为当前的一大挑战。

1.为了降低制备成本、提高器件传感性能，郭传飞课题组从荷叶的超疏水性来源于其表面的微纳米结构中受到启发，用自然材料作为模板来制备表面微结构。取大自然中的植物作为原始模板、复写出植物表面的微结构并喷涂柔性银纳米线电极，构建电容型触觉传感器，该器件具有较高的灵敏度(1.2 kPa ⁻¹ )、较快的响应速度(36 ms，与人体皮肤响应速度相当)以及较好的稳定性(可重复循环检测10万次以上而不产生疲劳)，这项工作被评为《Advanced Electronic Materials》月度十大热点论文之一。

基于荷叶微结构的柔性电子皮肤

2.高灵敏的柔性触觉传感器越来越成为现在的研究热点，为了提升性能，课题组以天鹅绒竹芋为模板，制备了离子凝胶微锥结构阵列用于电容型器件的介电层，其界面双电层有效地提高了器件的灵敏度。实验结果发现，该器件的灵敏度高达54.1 kPa ⁻¹ ，是目前文献报道的电容式触觉传感器最高值。此外，该器件还实现了低至0.1Pa的检测限，以及29ms的响应速度，超过了人体皮肤响应速度。

3.课题组受植物体多孔三维结构的启发，直接利用干燥的自然材料(例如花瓣、叶片)作为电子皮肤的介电层。研究表明，新鲜的自然植物材料的离子液和电极之间形成的双电层作用，器件具有较大的电容响应，但随着自然材料干燥水分挥发，器件的性能稳定性较差。通过临界点干燥处理植物材料，材料本身的几何构架不发生改变，所制备的器件性能稳定，具有较高的灵敏度、较低的检测限以及较高的稳定可靠性，能进行运动检测、压力分布测试等。该工作被评为月度热点论文。使用仿生微结构或直接利用自然材料制备柔性触觉传感器，能大大简化制备工艺，降低制备成本，符合可持续发展理念，对构建环境友好型柔性电子体系具有重要意义。

这一系列基于植物模板或自然植物材料的电子皮肤的研究，有效降低了器件制造成本，提高了器件的灵敏度等性能，开辟了一条制备柔性电子器件的新道路。本系列研究中制备的电子皮肤能用于人体健康监测、运动监测、人机交互等，在智能机器人、智能假肢、可穿戴柔性设备等方面有潜在的应用前景。