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博文

MXene基仿生电子皮肤,可用于数字化和可视化双通道传感

已有 1196 次阅读 2022-6-15 20:56 |系统分类:论文交流

作为柔性传感器网络,电子皮肤(e-skin)正成为人机界面、生物集成设备和个性化医疗的重要交互媒介。MXenes是一种新型的二维纳米材料,具有优异的导电性和亲水性,在下一代电子皮肤传感器中显示出巨大的潜力。然而,目前基于MXene电子皮肤的研究主要集中在单一的电传感模式上,而对视觉识别等关键功能的研究鲜有报道。因此,探索构建高效、多模态融合的MXene基电子皮肤器件是非常必要的。

Bioinspired MXene-Based User-Interactive Electronic Skin for Digital and Visual Dual-Channel Sensing

Wentao Cao, Zheng Wang, Xiaohao Liu, Zhi Zhou, Yue Zhang, Shisheng He*, Daxiang Cui*, and Feng Chen*

Nano-Micro Letters (2022)14:119

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00838-0

本文亮点
1. 采用便捷的设计理念,构建了一种仿生的MXene基电子皮肤,用于数字和视觉双信号传感。
2. MXene基电子皮肤具有出色的机电传感性能,实现了对人类活动(如书写、喝水、行走和说话等运动)的实时监测
3. 利用MXene薄膜出色的焦耳加热性能,MXene基电子皮肤可实现大范围的动态着色,用于人体各种动作的被动显示和视觉识别
内容简介
同济大学附属第十人民医院陈峰研究员、贺石生教授团队和上海交通大学崔大祥教授团队合作,提出了一种结构简单、能在外界机械刺激下同步实现数字化电信号响应和光学可视化的仿生柔性电子皮肤。该电子皮肤由碳纳米管/纤维素纳米纤维/MXene导电层和硅胶/热变色颜料弹性层组成,二维MXene纳米片与纤维素纳米纤维(CNFs)分散的一维碳纳米管(CNTs)相结合,使电子皮肤具有出色的机电响应行为,能够实现对人体全方位活动的准确监测。此外,MXene/碳纳米管的焦耳加热性能可以将局部热能传递给硅基弹性体中的热变色颜料,用于被动变色显示、伪装和视觉监控。因此,与传统MXene基电子皮肤相比,该电子皮肤具有可以同步实现对外界机械刺激的数字/电信号响应和光学可视化的特点。本研究不仅展示了具有显著数字、视觉协同作用的仿生用户交互电子皮肤,而且为下一代智能柔性电子产品的开发提供了良好的平台。
图文导读
制备MXene基智能电子皮肤(CCM e-skin)

通过将导电CCM层转移到硅胶内部,我们制备了一种柔性、应变敏感和人机交互的CCM电子皮肤(图1)。CCM电子皮肤附着在人体皮肤上后,可以通过数字和视觉两种人工感官通道,对人体活动进行监测。机电/数字通道由应变传感器组成,通过分析电阻信号的变化来检测人体运动,而视觉通道主要基于焦耳加热和热机械变色机制。这种多模态融合策略使CCM e-skin能够被更加直接和精确地用于人类活动的研究。

图1. MXene基电子皮肤的制备示意图。首先将CNTs、CNFs和MXene纳米片混合液抽滤得到复合膜;随后,对硅胶进行预固化,制备出具有粘性的基板,并在聚四氟乙烯模具的辅助下进行着色;最后,将复合膜转移到硅胶上。其中,复合膜作为应变传感层和焦耳加热层,而硅胶/变色颜料层作为热致变色组分和包覆层。因此,CCM 电子皮肤可以利用数字-视觉融合的方式实现对人体运动的智能监测。

II CCM薄膜的表征及分子动力学模拟

系统研究了材料的理化性质,并通过分子动力学模拟进一步探索了CNTs/CNFs杂化的形成机理(图2)。如图2h所示,CNFs最初分散在碳纳米管周围(0 ns),然后在5 ns左右逐渐附着在碳纳米管表面。随着模拟时间的延长,可以看到葡萄糖单元的高估计密度区域(红色区域)在5 ns左右逐渐集中到0.4 nm左右,然后保持相对稳定(图2i)。将不同比例的MXene纳米片分散到CNFs/CNTs混合物中,通过微孔过滤膜的真空辅助过滤和热压干燥方法制备膜结构;滤膜上的CNTs由于在水中分散性差,表现出脆性和均匀性差的特征,而得到的CCM膜具有良好的均匀性和完整性(图2j)。图2k显示,一维碳纳米管将松散的MXene纳米片编织成一个桥接结构。因此,CNTs、CNFs和MXene纳米片的良好集成结构可以提供连续的电子通道,使CCM膜具有高弹性和导电性。
图2. MXene纳米片、CNTs、CNFs和CCM薄膜的表征。(a) MAX前驱体和制备的MXene纳米片的XRD谱图;(b)制备的2D MXene纳米片的TEM图像;(c) MXene纳米片的AFM图像和高度剖面;(d) MXene纳米片的横向尺寸分布;(e) CNTs的TEM图像;(f) CNFs的TEM图像,插图为CNFs分散液的照片;(g) CNTs/CNFs油墨及储存1周后的流变行为;(h)分子动力学模拟图;(i)葡萄糖分子与碳纳米管表面之间距离的估计密度的变化;(j)沉积在纤维素膜上的CNTs、CCM-0.2、CCM-0.5和CCM-1薄膜的照片;(k) CCM膜俯视图和扫描电镜横断面图像。

III CCM电子皮肤的机电特性及机理

将CCM膜转移到硅橡胶基板上后,可获得柔性CCM电子皮肤;二维MXene纳米片和一维CNFs/CNTs的成功集成,赋予了柔性CCM电子皮肤在机电响应方面的巨大潜力。在拉伸之前,具有典型二维纳米结构的MXene纳米片与一维碳纳米管相互连接,形成连续的电子传导通路(图3b)。当拉伸开始时,MXene纳米片由于其弱的范德华相互作用而倾向于相互滑动,而CNTs可以作为连接MXene纳米片的“桥梁”。随着拉伸的继续,CNTs被拔出,从而导致CCM电子皮肤的电阻发生变化。
图3. CCM电子皮肤的机电特性及机理。(a) CCM电子皮肤在不同MXene含量下的电导率;(b) CCM电子皮肤机电响应机理示意图;(c) CNFs/CNTs、CCM-0.2、CCM-0.5、CCM-1和原始MXene e-skin在不同应变下的相对电阻值变化;(d) CCM-0.5电子皮肤在各种最大拉伸应变(5、10、20、50、100、150、200和250%)下的相对电阻变化;(e) 100%应变下CCM-0.5 e-skin在不同频率下的相对电阻变化;(f)阻力和应变随时间变化的时间保留曲线;(g)恒频率1hz, CCM-0.5 e-skin在0% ~100%应变范围内拉伸/松弛1000次循环时的相对电阻变化;(h)多周期试验的电阻变化:100%应变下,第1次(灰色)、第10次(蓝色)、第100次(橙色)和第1000次(绿色)。

IV CCM电子皮肤用于监测人体生理运动

CCM e-skin具有柔韧性强、灵敏度高、稳定性好、拉伸范围广等优异的综合性能,可实现对人体大尺度运动和细微生理信号的全范围实时监测。我们将CCM电子皮肤直接贴在人体各关节上,检测人体的大动作,例如,将CCM电子皮肤分别安装在手指关节和手腕关节上,记录弯曲和放松运动时的响应信号(图4a, b)。通过分析阻力的相对变化,可以准确快速地识别不同的弯曲程度。此外,CCM电子皮肤还能够监测不同弯曲频率下的手臂弯曲运动(图4c)。除了常规的关节弯曲运动外,更复杂的人类活动,包括手写、向杯子里倒水、喝水等,也可以通过将CCM电子皮肤粘附在手腕或手臂关节上进行检测(电影S1、2和图4d-f)。此外,特殊的拉伸能力使CCM e-skin能够稳定地检测需要大拉伸变形的膝关节弯曲运动,通过将CCM电子皮肤连接到膝关节上,通过以高度可重复的方式观察CCM电子皮肤的相对电阻的变化,可以很容易地检测腿部运动,如行走和跑步(图4和S13)。

图4. CCM电子皮肤检测各种生理运动的响应信号。(a)手指弯曲和(b)手腕弯曲不同角度的监测过程; (c) CCM电子皮肤在检测不同速度下手臂弯曲时的相对电阻响应; (d) CCM电子皮肤对手写MXene的相对抗性反应;检测各种手臂动作,如(e)向杯子里倒水和(f)喝水;(g) CCM电子皮肤检测不同转速下的相对电阻响应; (h)讲话“MXene”和(i)吞咽喉部时记录响应曲线。

CCM电子皮肤的焦耳加热性能

对于CCM电子皮肤,施加的应变会同时产生电阻的变化,这为实现动态焦耳加热行为提供了机会。为了定量地了解CCM电子皮肤的电热特性,我们在CCM电子皮肤上安装了直流(DC)电源系统,并通过实时红外(IR)热成像摄像机无线监测温度变化(图5a)。图5b为不同MXene含量的CCM电子皮肤在外部电压为20 V时的温度-时间曲线,碳纳米管/碳纳米管表皮的电热性能较差,饱和温度较低,约为34.5 ℃。随着MXene纳米片的加入,CCM电子皮肤的焦耳加热性能有明显提高的趋势。

图5. 直流电压下CCM电子皮肤的焦耳加热性能。(a)使用红外相机测量焦耳热的装置示意图;(b)输入电压为20 V时不同MXene含量CCM电子皮肤的温度分布;(c)不同输入电压下CCM电子皮肤的温度随时间的变化曲线;(d) CCM-0.5 e-skin的稳态温度与电压平方成函数;(e) CCM-0.5 e-skin在不同应变水平下的记录温度图;(f)初始温度为60 ℃时的温度变化曲线;(g) CCM-0.5 e-skin在电压从10 V逐步增加到25 V时的温度分布; (h)重复施加15V电压的CCM-0.5 e-skin加热稳定性试验;(i) CCM-0.5 e-skin电加热器在输入电压为20v时的长期温度变化曲线。

VI CCM电子皮肤的热变色效应及应用实例

为了可视化CCM e-skin对拉伸应变的热响应,我们采用了一种分散在硅橡胶中的热变色颜料复合体系,该材料可以根据颜色的变化反映CCM e-skin的应变、电阻和温度的变化。中间的CCM膜可以作为施加机械应变的温度可调加热器,而混合了热变色颜料的硅橡胶可以作为封装和温度显示。将各种热变色颜料与液态硅橡胶混合,形成均匀的变色层,含有热致变色染料的CCM电子皮肤在室温下保持其最初的颜色(如蓝色、黄色、紫色、红色等),但超过31或65 ℃时就会变成白色(由黑变白)。此外,由于热变色组分具有不同的响应温度,混合两种颜料可能会产生一个新的体系,呈现出更广泛、更丰富三色状态。

图6. CCM电子皮肤的热变色效应及应用实例。(a)当施加电压为20 V时,具有不同热变色特征的CCM电子皮肤会变色为白色;(b)图显示了CCM电子皮肤在恒定拉伸作用下电阻和颜色的变化趋势;(c) CCM电子皮肤在保持恒定外加电压的情况下被拉伸的照片;(d)通过开关电压,用于军事伪装的CCM电子皮肤的热变色应用示例。

VII 交互式温度/颜色变化电子皮肤的视觉运动监测

CCM电子皮肤对各种拉伸应变具有良好的温度/颜色敏感性,在人体活动的视觉监测中具有重要的应用潜力。将CCM e-skin附着在手部模型的食指关节上,记录其在不同应变下的实时温度和颜色变化。在上述单通道传感的基础上,我们还研究了一种视觉多通道传感系统,该系统由5个CCM电子皮肤组成,并以并联方式工作,以较高的精度监测机械手单个手指的弯曲情况。与其他没有视觉感知能力的MXene电子皮肤相比,CCM e-skin可以同步实现对外界机械刺激的数字电响应和光学可视化。据我们所知,在我们提出这项工作之前,还缺乏基于MXene的多模态融合策略。该电子皮肤的简单设计理念和可靠运行有望为下一代柔性电子产品提供一个理想的平台。

图7. 交互式温度/颜色变化电子皮肤的视觉运动监测。(a) CCM电子皮肤随手指弯曲的温度变化及相应的恢复过程;(b)机械手照片及对应的温度分布图像,对应于(a)中手指的各种弯曲状态;(c)温度随手指运动的变化;(d,c)手指在不同运动状态下的照片及相应的温度分布图像;(e) CCM电子皮肤与其他基于MXene的电子皮肤的总体性能比较。
作者简介

曹文涛

本文第一作者

同济大学 博士后

主要研究领域

纳米材料合成、复合功能材料构筑、柔性生物电子器件、MXene基功能复合材料的制备、仿生机制及柔性生物电子应用等领域。

个人简介

同济大学博士后。目前已以第一或通讯作者在ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Nano-Micro Lett.、Biomaterials、Mater. Horiz.等期刊上发表论文11篇,含IF>12的中科院一区论文8篇,2篇文章曾入选ESI热点论文,论文总被引1400余次;研究成果获中国发明专利授权4项,入选北京林业大学优秀博士学位论文,主持中国博士后科学基金特别资助项目、上海市博士后日常经费、同济大学自主原创基础研究项目。

Email: wt_cao@tongji.edu.cn

陈峰

本文通讯作者

同济大学附属第十人民医院 研究员

主要研究领域

仿生材料基础与转化。

个人简介

同济大学附属第十人民医院PI、研究员/博导,骨科基础与转化医学研究中心执行主任;长期从事仿生材料基础研究与转化工作,在Sci. Adv.、Adv. Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Biomaterials、Small等国际权威学术期刊发表SCI论文100余篇,论文被引7200余次,H指数48;获中国发明专利授权20余项,美国专利授权1项;研究成果曾得到了人民日报、中国科学报、英国皇家物理学会等国内外学术机构和重要媒体的关注报道。

Email: fchen@tongji.edu.cn

贺石生

本文通讯作者

同济大学附属第十人民医院 教授

主要研究领域

脊柱外科临床与基础研究、生物材料/医疗器械基础与转化。

个人简介

同济大学附属第十人民医院骨科主任、同济大学脊柱疼痛研究所所长;2015年以来,获上海市科技进步奖二等奖、华夏医学科技奖三等奖、上海市医学科技奖二等奖;出版《V形双通道脊柱内镜技术》、《经椎间孔脊柱内镜手术》、《脊柱微创外科技术》、《微创腰椎融合术》、《脊柱疾病微创治疗与康复》等专著5部;近五年在Spine、Biomaterials、Nano Letters、Nano-Micro Lett.等国际知名期刊发表SCI论文50余篇,获批专利80余项;研发的脊柱外科微创可扩张通道、脊柱微创手术定位系统、颈椎个性化牵引器、V形双通道脊柱内镜系统等,已实现成果转化并市场化推广,部分专利成果现已应用于国内2000余家医院,服务患者十余万人次。

Email: tjhss7418@tongji.edu.cn

崔大祥

本文通讯作者

上海交通大学 讲席教授

主要研究领域

纳米功能材料的制备与表征、智能响应的纳米机器与传感器技术、纳米免疫治疗与干细胞治疗技术。

个人简介

上海交通大学讲席教授,教育部长江学者,入选国家人才计划,被授予“有突出贡献的中青年专家”, 博士生导师,上海智能诊疗仪器工程中心主任,纳米技术及应用国家工程研究中心副主任,国家杰出青年基金获得者,纳米重大科学研究计划项目首席科学家,日本早稻田大学访问教授与客座教授,悉尼大学荣誉教授;在Nat. Protoc.、Adv. Mater.、ACS Nano、JACS、Cancer Res.等国际专业杂志上发表SCI论文380多篇,他引超16000多次,包括Science、 Nat Nanotech.、 Chem. Rev.等杂志引用与评论,H-index为68;获国家科技进步二等奖1项,教育部高等学校优秀成果奖技术发明一等奖1项,上海市技术发明一等奖1项,中国发明协会1等奖2项,华夏医学科技奖二等奖1项,中国电子学会技术发明二等奖1项,军队科技进步二等奖1项;主编专著2部,参与编写出版专著8部;授权发明专利65项;参与开发的部分产品获医疗器械证。

Email: dxcui@sjtu.edu.cn

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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