電子皮膚可模仿人體皮膚對(duì)外界環(huán)境（包括對(duì)壓力、溫度及化學(xué)等刺激）的感知，因而可廣泛應(yīng)用于人工智能和醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。盡管近年來電子皮膚研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，但仍然存在感應(yīng)材料的響應(yīng)靈敏度不足、穩(wěn)定性和抗干擾能力較差及感應(yīng)的范圍窄等諸多問題，這些限制了其實(shí)際應(yīng)用。要解決以上問題，選用具有優(yōu)異性能的活性材料和設(shè)計(jì)合理的器件結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵。碳納米材料（碳納米管、石墨烯等）因其優(yōu)越的物理、化學(xué)以及電學(xué)性能成為制造高性能柔性傳感器最常用的活性材料之一。然而，由于碳材料本身無彈性，因而在構(gòu)筑柔性器件時(shí)，往往需要與柔軟且具有彈性的高分子復(fù)合的同時(shí)盡量保持其本身性能。因此，開發(fā)出有效的方法將碳基材料與高分子有效復(fù)合，對(duì)開發(fā)出高性能柔性可穿戴器件至關(guān)重要。

中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員陳濤團(tuán)隊(duì)前期研發(fā)了系列基于碳材料的高分子復(fù)合體系，并取得了階段性進(jìn)展，這些高分子碳基復(fù)合體系是柔性可穿戴傳感器件的重要材料基礎(chǔ)。

模仿生命體系，有助于人們?cè)O(shè)計(jì)高效的傳感器件。例如，水分子在人體大部分代謝過程中至關(guān)重要，可通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體皮膚表面和呼出的空氣周圍水分子的含量和分布，獲得個(gè)體的生理和心理信息。近期，研究人員開發(fā)了基于聚多巴胺/石墨烯納米異質(zhì)結(jié)的柔性仿生濕敏材料。這種材料通過自組裝可以在電極間形成規(guī)則的層狀二維結(jié)構(gòu)膜，并且通過調(diào)控聚多巴胺量可以在0.7nm到1.4nm范圍精確調(diào)控其層間距。其中所存在的納米級(jí)孔道結(jié)構(gòu)有利于水分子快速運(yùn)輸，在動(dòng)力學(xué)上保證器件快速的響應(yīng)與回復(fù)，層間中的聚多巴胺分子可以通過氫鍵快速“捕獲”水分子與“釋放”水分子，在熱力學(xué)上保證器件快速的響應(yīng)與回復(fù)。利用該傳感器，研究人員構(gòu)筑了一套柔性可穿戴器件，能夠以非接觸的方式監(jiān)控呼吸、運(yùn)動(dòng)甚至說謊等心理活動(dòng)所引起的人體非常微弱的濕度波動(dòng)信息。

在高分子碳基復(fù)合體系的設(shè)計(jì)中，特別是面向柔性傳感器的應(yīng)用中，非對(duì)稱復(fù)合有助于發(fā)揮高分子及碳基材料各自的性能優(yōu)勢(shì)。最近，該團(tuán)隊(duì)與中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員潘曹峰團(tuán)隊(duì)合作，研究人員利用石墨烯片層在水/空界面的二維宏觀薄膜的組裝，以所得石墨烯膜作為傳感層與具有微納結(jié)構(gòu)的PDMS彈性體組成非對(duì)稱復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中石墨烯膜傳感層的導(dǎo)電性和厚度通過調(diào)控組裝層數(shù)可以得到很好地平衡。所得傳感器表現(xiàn)優(yōu)異的綜合性能，同時(shí)具有高靈敏度（1875.53kPa-1）和寬線性檢測(cè)范圍（0-40kPa）以及良好的穩(wěn)定性和超高的信噪比（78db）。基于這些優(yōu)異的性能，構(gòu)建了一套通用、高精度、可穿戴的無線脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該傳感系統(tǒng)相比于商用可穿戴脈搏傳感器有諸多優(yōu)勢(shì)，該系統(tǒng)除具有良好柔性與穿戴舒適性外，還具有高精度、抗身體運(yùn)動(dòng)干擾的優(yōu)勢(shì)，并實(shí)現(xiàn)在日常運(yùn)動(dòng)過程中（在跑步或騎自行車時(shí)）實(shí)時(shí)檢測(cè)動(dòng)脈脈搏信號(hào)，有望用于個(gè)性化診斷（Nano Energy, 2019）。

以上工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中科院國(guó)際合作重點(diǎn)項(xiàng)目等的資助。

文章鏈接

圖1 基于聚多巴胺/石墨烯納米異質(zhì)結(jié)的柔性仿生濕敏材料應(yīng)用于柔性可穿戴器件 

圖2 自組裝石墨烯-PDMS非對(duì)稱復(fù)合結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于高精度脈搏實(shí)時(shí)檢測(cè)柔性可穿戴器件