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四川大学研发实时、多次自修复的柔性传感器

导读: 《德国应用化学》四川大学高分子研究所张新星课题组:实时、多次自修复的柔性传感器用于人机交互系统

随着智能终端的普及,开发和制备具有优异力学性能和响应灵敏性的柔性可穿戴传感器材料在健康监测、电子皮肤、仿生机器人、人机交互等领域具有极大应用前景。

近年来,四川大学高分子研究所张新星副教授和卢灿辉教授课题组利用具有独特两亲性和纳米尺寸结构的纤维素纳米晶(CNC)的结构导向作用,诱导导电填料自组装实现在橡胶基体中的有序排列和定构加工,获得力学性能优异,对应变、化学溶剂等外场作用响应灵敏的有序多层次结构橡胶复合材料 (J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 13317; ACS Sustainable Chem. Eng., 2015, 3, 675; Soft Matter, 2016, 12, 845; Compos. Sci. Technol., 2016, 124, 44; Compos. Sci. Technol., 2016, 125; Green Chem. 2017, DOI: 10.1039/C7GC01138E.)。并通过层层组装加工方法将微结构可控的导电胶乳涂覆于PU纱线、海绵等弹性基材表面,制备了具有超高灵敏度的拉伸应变以及化学溶剂传感材料 (ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 9936; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 13657; Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, 19, 16198.),在智能服装、输油管道渗漏监测与智能堵漏等领域具有重要的应用价值。

目前,大部分柔性传感器受限于响应灵敏性差以及遭受不可避免的外力破坏时力学电学稳定性差,只能实现信号采集,而无法进行下一步的信号识别、处理和指令的输出。因此,开发具有仿生自愈合功能的自修复柔性传感器材料及其可穿戴电子是功能弹性体材料领域亟待解决的核心问题之一。已报道的自修复柔性传感器的应变敏感元件多为无机导电涂层,如碳纳米管、金纳米颗粒等,其本身并不具备自修复功能,导致长期使用的可靠性和稳定性受到影响,严重阻碍了其实际应用。

基于以上背景,张新星副教授研究团队从设计和构建具有自修复性能的有机应变敏感材料出发,通过对CNC进行表面接枝或化学修饰,在填料导电网络与橡胶基体间构建具有自修复功能的动态离子键、配位键、多重氢键等超分子可逆交联网络, 在室温下实现材料的实时(≤ 30 s)、多次自修复(自修复3次后的修复效率为93%),并利用层层组装加工方法制备具有超高灵敏度、可监测微小生理活动(如喉结发音、面部表情、咀嚼、咳嗽、吞咽等)的自修复有机柔性传感材料,为可穿戴电子的应用提供关键材料和技术。(J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 9824.; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 20106.)

四川大学研发实时、多次自修复的柔性传感器

图1.(a)超分子多重氢键可逆交联网络模型示意图;(b)力学性能自修复效率对比。

图2. 力学性能自修复演示。

由于该柔性传感材料出色的力学、电学可靠性与响应灵敏性,该团队通过与四川大学电子信息学院余艳梅副教授、陶青川副教授以及四川大学锦城学院庄健老师合作,设计和开发了面部表情控制机器人原型系统以及同步发音原型系统,实现了柔性传感器与电子控制系统的集成化应用和人机交互。

四川大学研发实时、多次自修复的柔性传感器

图3.(a)自修复柔性传感器用于面部表情识别,语音识别;(b)面部表情控制机器人系统和同步发音系统。

这一研究成果已在线发表在Angewandte Chemie International Edition(德国应用化学,IF:11.994)期刊上,四川大学高分子研究所硕士研究生曹杰为第一作者,张新星副教授和余艳梅副教授为论文的共同通讯作者。本研究工作得到国家自然科学基金(项目编号:51673121)和高分子材料工程国家重点实验室探索项目(项目编号:sklpme2017-2-06)等项目的资助。

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