成果简介
电子皮肤（e-skin）在人机交互、智能机器人、人体健康、运动监测等领域显示出巨大潜力。然而，要通过简单的非耦合结构设计实现对拉伸应变、垂直压力和温度的分辨检测，对电子皮肤来说仍具有挑战性。本文， 武汉工程大学 蒋灿副教授在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Biomimetic Electronic Skin Based on a Stretchable Ionogel Mechanoreceptor Composed of Crumpled Conductive Rubber Electrodes for Synchronous Strain, Pressure, and Temperature Detection”的论文，研究通过将天然橡胶上的逐层自组装皱缩还原氧化石墨烯/多壁碳纳米管薄膜（RGO/MWCNTs@NR）作为可拉伸导电电极，并将聚丙烯酰胺/氯化钠离子凝胶作为介电层，制成了一种可拉伸的多模态仿生电子皮肤。与天然皮肤感受器不同，这种夹层式可拉伸离子凝胶机械感受器在应变和压力检测方面具有独特的各向异性电容行为。
研究结果表明，仿生电子皮肤具有优异的拉伸性（0-300%），在 180-300% 的应变范围内具有 0.27 的高测量系数，显示出负电容变化；而在 0-15 kPa 的垂直压力范围内则显示出正常的正压电电容行为，最大灵敏度为 1.759 kPa-1。基于这一特点，仿生电子皮肤在手势识别和抓握动作检测等实际可穿戴应用中表现出了出色的平面应变和垂直压力同步检测能力，而无需复杂的数学或信号解耦过程。此外，仿生电子皮肤对 20-90°C 的温度具有可量化的线性响应能力，温度系数为 0.55%/°C。这些引人入胜的特性使仿生电子皮肤有能力实现与天然皮肤类似的完整功能，但其性能超出了未来可穿戴设备和人工智能设备的要求。
图文导读
图1.褶皱的RGO/MWCNTs@NR的制造工艺。
图2.（a） GO、a-MWCNTs、CRGM和CGM的FTIR光谱。（b） GO、a-MWCNTs、CGM和CRGM的拉曼光谱。（c） CRG、CM、CGM 和 CRGM 的 XRD 图谱。
图3.（a） m-NR、（b） CRGM-10-300、（c） CRGM-20-300、（d） CRGM-30-300、（e） CRGM-40-300、（f） CRGM-40-100、（g） CRGM-40-0 和 （h） CRGM-40-500 表面的俯视图 SEM 图像
图4（a） CRG-40-300、CM-40-300 和 CRGM-40-300 的电阻随拉伸应变的函数的比较。在（b）100%和（c）300%的预拉伸应变范围内，不同层数导电涂层制备的CRGM的电阻。（d） CRGM-40-100、CRGM-40-300 和 CRGM-40-500 的阻力随拉伸应变的函数比较。
图5、仿生电子皮肤的制备与传感性能
图6.（a） 使用具有无线蓝牙通讯功能的便携式万用表采集仿生电子皮肤数据的示意图。仿生电子皮肤经受（b）压制、（c）弯曲和（d）应变的电容响应曲线。在（e，f）按压和（g，h）弯曲模式下，安装在（e，g）手指和（f，h）手腕上的仿生电子皮肤的电容响应曲线。（i） 仿生电子皮肤在两种不同压力水平下不同拉伸应变的电容响应曲线。
图7.（a） 手掌上有手指编号并用仿生电子皮肤安装的手的示意图。（b） 手掌安装仿生电子皮肤的实时相对电容变化，用于盛放一杯不同温度的茶。（c） 仿生电子皮肤，用于通过来自不同手指的相关信号响应来识别各种手势。（d） 模拟配备仿生电子皮肤的水下救援机器人执行水下救援任务的示意图，以及相应的全过程相对电容变化曲线。
小结
在这项工作中，通过由高导电性CRGM组成的可拉伸离子基质机械感受器作为可拉伸电极，成功制造了一种仿生电子皮肤。为了实现较高的机电稳定性和拉伸性，将LBL自组装技术与界面共价工程策略相结合，制备了CRGM。因此，刚性RGO/MWCNTs导电涂层可以与NR基体形成连续的褶皱结构和坚固的界面，从而将导电涂层的拉伸变形转化为弯曲变形，从而在循环拉伸过程中实现较高的机电稳定性。
为了模拟天然皮肤机械感受器的功能，使用PAM/NaCl离子基质作为介电层，并用两个CRGM电极夹制备可拉伸离子基感受器。由于对各种外界刺激具有独特的离子电容响应行为，所制备的仿生电子皮肤具有平面应变、垂直压力和温度的同步和可区分的检测能力，无需数学和信号解耦。因此，基于这一特点，仿生电子皮肤将为未来实现智能机器人的交互控制、人机界面、可穿戴健康和运动监测设备等多样化应用提供更多机会。
文献：https://doi.org/10.1021/acsami.4c01899
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