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光學工程
半導體所等在多功能電子皮膚研究方面取得進展

皮膚作為人體最大的器官,負責人體內部與外界環境的交互。在其柔軟的組織下面分布著一個龐大的傳感器網絡,從而實時獲得溫度、壓力、氣流等外界信息的變化。電子皮膚通過模擬人類皮膚的傳感功能,能實現或超越皮膚的傳感性能,在機器人、人工義肢、醫療檢測和診斷等方面展現應用前景。隨著信息技術的不斷進步,人們對發展高性能的電子皮膚的需求也不斷增加。因此,具有超薄、可拉伸、多參數檢測等性能的柔性電子皮膚正在引起廣泛的關注和迅速的發展。

中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室沈國震課題組與解放軍總醫院教授姜凱開展深入的合作,在前期系列研究成果的基礎上(Nano Energy, 2016, 23, 7.; Nano Energy, 2017, 35, 121.; Adv. Mater. Technol. 2016, 1, 1600136.; Sci. China. Mater. 2016, 59, 173.),近期合作在電子皮膚領域取得了新進展,開發了一種可直接貼附在人體表面的超薄高像素柔性電子皮膚陣列。通過引入聚合物中空球納米結構,傳感器對環境壓力展現出了超高的靈敏度(31.6 kPa-1),以及低的探測下限(0.6 Pa)。由于所制備的聚合物具有負溫阻效應,傳感器還對環境溫度具有很好的響應。

利用簡單的半導體加工及轉印工藝,設計了微米級的超薄可拉伸襯底及蛇形電極結構,使得器件不僅彈性好,也不易損壞,可以在不同環境下拉扯揉折之后,仍能感受到外部壓力與溫度的變化。將這種超薄電子皮膚應用于醫學領域,成功地實現了對人體脈搏、語音、呼吸、體表溫度等生理信號的實時快速監測,并實現了對不同物體的壓力分布成像。為了避免人體生理信號監測中,體表溫度變化對器件的影響,還對傳感器進行了溫度補償進而提高器件在實際應用中的檢測精度。

這項研究發展了一種制備方法簡單、環境友好、成本低廉、適宜大規模生產的超薄電子皮膚的制備途徑,其高柔性及彈性也符合模擬人體皮膚的需求,因此具有重要的應用價值,有望作為一種新型的人造電子皮膚服務于未來機器人、義肢使用者和可穿戴設備上。該項工作得到了國家杰出青年科學基金、北京市自然科學基金以及中科院前沿科學重點研究項目等項目的支持。研究成果近期發表在《納米能源》(Nano Energy,2017, 38, 28)期刊上。


圖:多功能超薄電子皮膚及相關測試數據


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