基于摩擦电的多功能离子型机械感受器:轻薄、透气、可拉伸,可用于人机交互

Ultralight Iontronic Triboelectric Mechanoreceptor with High Specific Outputs for Epidermal Electronics
Hai Lu Wang, Zi Hao Guo, Luyao Jia, Longwei Li, Yangshi Shao, Xiong Pu* and Zhong Lin Wang*

Nano-Micro Letters (2022)14: 86

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00834-4

本文亮点

1. 通过静电纺丝的方法制备了一种轻薄型离子摩擦电机械感受器(ITM)。

2. 本文报道的ITM轻薄、透气、可拉伸,且具有可观的瞬时功率输出密度
3. ITM可以贴附于人体皮肤之上,进行生理信号监测。本文实现了对吞咽动作、手肘、手指膝关节弯曲动作以及腿部运动的检测。此外,还实现了对微弱桡动脉的传感。

4. 本文展示了ITM在人机交互方面的应用,利用ITM可以实现对声音信号的传感,并基于ITM构建了噪声监测交互界面。

内容简介

电子皮肤或类表皮电子器件发展迅速,在结合人工智能技术、可穿戴电子技术以及物联网技术的基础上,有望在人体健康监测与疾病诊疗、智能人机交互等领域开拓广泛的应用潜力。人工机械感受器是通过模仿人类皮肤的触感系统,检测外界的各类机械刺激信号,包括应力、应变、摩擦、滑动等,是类表皮电子器件的核心部件。尽管该领域备受关注并取得了长足的发展,但仍需要进一步的研究,使机械感受器同时具有超轻、超薄、可弹性变形、透气透汗等多功能性。人体通过多种感受器感知世界,不同的感受器对不同的环境刺激作出反应。其中,表皮上的机械感受器是机体感觉系统的重要组成部分。机械感受器将外界的机械刺激转化为细胞内信号,使人体具有了感受触觉、按压、拉伸甚至声学振动的能力。因此,模仿皮肤触觉感应能力的表皮电子技术,因其在类人机器人和假肢方面的潜在意义,引起了广泛的兴趣。从长期适用性的角度来看,表皮电子器件应该同时满足以下几个关键因素。一是足够的柔软性以及与皮肤优异的贴合能力;二是可拉伸性,以满足人体各种运动需求;三是透气性,满足佩戴时的舒适度要求;四是无额外能量消耗的自驱动性。在以上需求基础上,受人体皮肤中的机械感受器的启发,本文提出了一种全纤维的离子型摩擦电机械感受器。该机械感受器具有超薄的厚度(平均厚度约为~2.5 μm),超轻的质量(~0.076 mg/cm²),可拉伸,透气及贴肤等特点。基于该机械感受器,实现了对各类生理信号的检测,包括脉搏起伏,吞咽动作,手肘、手指膝关节弯曲动作以及腿部动作的传感。利用其轻薄柔软的特性,还实现了对声音信号的传感,构建了噪声检测的交互界面。
图文导读

超薄、超轻、透气的离子型摩擦电机械感受器(ITM)

图1整体概述了本文报道的离子型摩擦电机械感受器具备的特征。该机械感受器为一种双层结构,下层为静电纺丝法制备的离子电极,上层为原位纺丝制备 的热塑性聚氨酯(TPU)摩擦层。由于采用了静电纺丝的制备技术,使得ITM具有极轻薄透气的特点,甚至可以漂浮在易破的肥皂泡之上,证明了ITM器件极其优异的轻薄与柔软性。基于摩擦起电的原理,该机械感受器可以自驱动地实现对人体日常活动的监测、对心跳脉搏等心血管生理信号的采集以及对声音震动信号的捕捉。这些功能充分展现出ITM未来在生物机械能收集,健康状态监测以及生物识别方面的应用前景。

图1. (b) ITM基本结构方案(上半部分),超薄、超轻的ITM漂浮在易碎的气泡上的照片(下半部分); (a和c)用于生物力学能量收集的ITM图像; (d和e) ITM用于健康状态监测(心血管监测)和智能可穿戴健康监测的未来愿景; (f和g) 模仿人类耳蜗基底膜的高灵敏度频率响应ITM,通过与机器学习算法协作实现智能语音用户界面。

II 离子纳米纤维电极的性能
受生命物质利用离子进行信号传播的概念启发,我们在ITM中采用了离子导体作为电极。离子纳米纤维电极由TPU纳米纤维骨架和离子液体(1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰)亚胺,[EMI][TFSI])组成。离子电极的电导率会随着离子液体含量的增加而升高,在离子液体含量为60 wt%时,室温下电导率可达8.57×10⁻⁵ S/cm,断裂伸长率可达~180%,可以满足人体各种日常活动的需要。另外,测试结果表明,弯曲和拉伸的形变,对电极电阻的变化影响不大。在经受3000次的拉伸循环后,离子电极的电导率依然能保持稳定。由于离子迁移的特性,离子电极的电导率会随着温度的升高而升高,但在同一温度下(无论高温还是低温),电极电导率均能保持稳定。
图2. (a)附在人手上的ITM的照片; (b)离子液体([EMI][TFSI])的化学结构式; (c)基于TPU支架和离子液体的纳米纤维离子电极的导电机理;(d) EMITFSI浓度对离子纳米纤维电极电导率的影响;(e和f)分别为纯TPU纳米纤维和离子纳米纤维电极(离子液体为60% wt.%)的扫描电子显微镜(SEM)图像; (g)离子纳米纤维电极中EMITFSI浓度增加时的应力-应变曲线;(h)离子纳米纤维电极在0 ~ 570 m⁻¹不同弯曲曲率下的电阻; (i)离子纳米纤维电极的电阻与单轴拉伸应变的关系,拉伸率可达70%; (j)离子纳米纤维电极在应变为30%时的循环拉伸试验; (k)离子纳米纤维电极的阿伦尼乌斯离子电导率(σ)图; (l)离子纳米纤维电极在低(-20 ℃)和高(80 ℃)温度下的热稳定性。
III 高比功率密度的机械能收集
双层的ITM本质上是一个单电机模式的摩擦纳米发电机。通过优化离子电极层及TPU摩擦层的厚度,我们对ITM的输出进行了优化。当离子电极层为1 μm,TPU层为1.5 μm时,ITM具有最大的瞬时质量输出密度(895 W/kg)。在与其他各种类型的能量收集器件对比发现,包括机械能收集器:摩擦纳米发电机 (TENG),电磁发电机 (EMG),压电发电机 (PEG); 热电发电机(TEG),ITM的瞬时功率密度依然处于较高水平。

图3. (a) ITM与人手指接触发电时的工作机制; (b-e)离子电极层固定在1 μm处,随着TPU层厚度的增加,ITM的开路电压、短路电流、转移电荷和归一化后的输出; (f)离子电极层为1 μm, TPU层为1.5 μm时,外阻为0.01 MΩ ~ 100 MΩ的开路电压、短路电流和功率曲线; (g) ITM与其他能量收集器件的质量比功率密度的比较。

IV 无创健康信号监测

ITM由于其轻薄柔软的特点,可以非常好的贴附于皮肤表面,收集脉搏跳动信号从而进行生理信号的检测。利用ITM采集到的脉搏信号具备诊断价值,不但可以得到脉搏频率,还可以通过脉搏波的波形得到典型的动脉硬化的评估参数,即∆tDVP,Alᵣ 和 DAI。其中,∆tDVP为P₁与P₂峰之间的时间差值;Alᵣ为P₂/P₁的比值,又被称作桡动脉增强指数;DAI为P₃/P₁的比值,又被称作径向舒张增强指数。通过IMT测得的∆tDVP,Alᵣ和DAI分别为356 ms, 0.59 和 0.31,符合一个健康的27岁男性的标准。除此之外,ITM还可以贴附于其他身体部位的皮肤表面,进行动作传感。如贴附于喉部,进行吞咽动作的传感;贴附于肘关节、指关节或是膝关节的表面,进行关节弯曲动作的传感;贴附于脚部,进行脚步动作的传感。以上的这些都展示出ITM在未来健康监测领域的巨大应用前景。

图4. (a)ITM附在手腕处进行检测脉搏的照片;(b)对来自ITM的脉冲信号进行25 s的实时连续监测;(c)脉冲周期放大脉冲信号;(d和e) 29个和脉冲周期;(f) ITM用于监测身体各部位活动的应用;(g)下一代智能移动诊断系统示意图。

声音识别技术应用

语音是日常交流和信息传播最直观的生物信号。模拟人类听觉系统的智能语音识别系统的开发,是一个关键而又具有挑战性的课题,它涉及到两个主要部分,即先进的声学传感器和语音识别算法。声学传感器将声音波形转换成数字信号,转换后的信号可为语音识别软件提供测试数据。本工作则进一步将ITM制成了一种表皮型声学传感器,其结构及工作原理如图5(b)所示。当输入声音频率不变时,传感器的输出随着声音响度的增大而增大;当输入声音信号的响度不变时,传感器输出随频率的升高先增大后减小,在频率为110 Hz时输出可达最大值。基于这种声音传感器,我们构建了可以检测噪声水平的交互界面。当噪声小于80分贝时,虚拟机器人身上的指示灯呈绿色;当噪声高于80分贝而小于90分贝时,指示灯呈黄色;当噪声高于90分贝时,指示灯呈红色。最后,利用该声学传感器,我们还实现了对语音信号的检测与收集。当不同的人读相同的字母时,由于声带结构的不同发出的音色音调也不同,由声音传感器采集到的声音波形也是不同的,如图5(e)所示。

图5. (a)通过高灵敏度ITM和机器学习算法的合作,对智能生物识别应用的期望; (b)声波作用下ITM工作机理的横截面图; (c)改变声频和声压级时从ITM测得的电压信号; (d)用于监测噪音水平的虚拟声音检测机器人界面; (e)记录一名男性和一名女性的声音,以及相应的带有简单字母(“B”、“I”、“N”和“N”)的频谱图。

作者简介

王海露

本文第一作者

北京纳米能源与系统研究所

主要研究领域
机械能收集与转换,自驱动可穿戴器件,摩擦光电器件,柔性软体机器人。

个人简介主

2015年于山东大学获得学士学位,2020年在中国科学院大学北京纳米能源与系统研究所获得工学博士学位。

Email:hailu.wang@ntu.edu.sg

蒲雄

本文通讯作者

北京纳米能源与系统研究所 研究员

主要研究领域
柔性能源与电子器件:(1)力-电转换材料与器件,主要研究基于纤维和离子导体弹性体材料的力-电转换材料与器件;(2)电-化学转换与存储,主要开展锂硫电池和锌电池的相关研究。

主要研究成果

2007年、2010年在西安交通大学分别获得工学学士和硕士学位,2014年于美国德克萨斯农工大学获得博士学位。同年,加入北京纳米能源与系统研究所。现已在Sci. Adv., Adv. Mater., Adv. Energy Mater. , Adv. Funct. Mater.等SCI期刊发表论文80余篇,其中一作/通讯作者60余篇;论文被引5000余次;出版国际专著2章;获授权美国发明专利1项、中国发明专利3项;入选中国科学院青年创新促进会;任Mater. Sci. Semicond. Proc.期刊副编辑,Adv. Fiber Mater./Rare Metals/The Innovation等期刊青年编委。

Email:puxiong@binn.cas.cn

王中林

本文通讯作者

佐治亚理工学院 终身教授

中国科学院北京纳米能源与系统研究所 所长

主要研究领域
摩擦纳米发电机,压电光电子学和压电光电子学。

主要研究成果

王中林院士是纳米能源研究领域的奠基人,发明了压电纳米发电机和摩擦纳米发电机,首次提出自驱动系统和蓝色能源的原创大概念,将纳米能源定义为“新时代的能源”。开创了压电电子学和压电光电子学两大学科,提出的原创新物理效应引领了第三代半导体纳米材料的基础研究,使氧化锌纳米结构成为与碳纳米管和硅纳米线同等重要的一类材料研究体系。论文引用超29万次,H指数261,目前在全球材料科学总引用数和H指数排名世界第一;世界横跨所有领域前10万科学家终身科学影响力排第5名,2019年年度科学影响力排第1名。获得2019年爱因斯坦世界科学奖(Albert Einstein World Award of Science)、2018年埃尼奖 (ENI award – The “Nobel prize” for Energy)、2015年汤森路透引文桂冠奖、2014年美国物理学会James C. McGroddy新材料奖和2011年美国材料学会奖章(MRS Medal)等国际大奖。中科院外籍院士、欧洲科学院院士、加拿大工程院外籍院士,国际纳米能源领域著名刊物Nano Energy的创刊主编和现任主编。

Email:zlwang@gatech.edu

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报(英文)》编辑部
关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, etc),包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录,2020JCR影响因子达16.419,学科排名Q1区前10%,中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉,2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
Web: https://springer.com/40820
E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624

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