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BEBC在智能柔性材料与柔性力学结构设计领域取得重要进展

2021-07-26 17:54:57      点击:

聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)具有优异的导电性、溶液可处理性和力学柔性,成为智能柔性材料领域的研究热门,并在太阳能电池、超级电容器、发光二极管、有机电化学晶体管等研究领域备受关注。近年来随着可穿戴健康监测的兴起,PEDOT:PSS逐渐在柔性传感领域崭露头角。人体皮肤应变作为可穿戴健康监测的重要指标,可全方位反映人体健康信息。不过,由于人体不同部位皮肤变形幅度差异较大,拓宽传感器的检测范围成为可穿戴应变传感研究的重要方向。但是,PEDOT:PSS本征延展性较差(断裂应变<20%),难以用于具有宽检测范围的广域应变传感器的开发。


为解决这一问题,BEBC的研究人员由蛇皮结构取得灵感。可以看到,蛇的体表由交错重叠的刚性鳞片所覆盖,这些鳞片可通过相对滑动顺应吞咽、移动等活动中的皮肤变形。受此启发,研究人员开发了可延展的仿生叠覆鳞片结构,并通过基底预拉伸、多步旋涂等工艺制备了具有该结构的PEDOT:PSS。外部拉伸下,重叠的PEDOT:PSS微鳞片发生相互滑动,实现结构延展。通过这一变形机制,鳞片自身承受应变显著降低,研究发现,具备该结构的PEDOT:PSS可承受超过100%的应变。进一步利用变形下鳞片滑移产生的总体电阻变化,可实现应变传感,且传感器检测范围及灵敏度可通过改变基底预拉伸幅度灵活调控,实现高灵敏度、宽范围(1%~100%)应变传感。


为探究所开发广域应变传感器在可穿戴应用中的前景,研究人员首先在传感器底部黏附水凝胶薄层,以匹配人体皮肤的力学特性。还通过拉伸测试与剪切剥离测试模拟传感器在实际使用中面临的力学载荷,系统探究了黏附界面的力学稳定性。进一步将传感器贴附于人体表不同部位,实现了对于人体正常生理活动(如脉搏、发声、吞咽、面部表情、肢体运动等)产生的不同幅度皮肤应变的有效传感,展现了应用于可穿戴物理运动监测、心理状态评估的潜力。



图1仿生叠覆鳞片结构广域应变传感器。(A)蛇皮表面交错重叠的鳞片;(B)叠覆鳞片结构PEDOT:PSS变形机理;(C)叠覆鳞片结构PEDOT:PSS用于应变传感:(D)所开发叠覆鳞片结构PEDOT:PSS在广域传感中的优势;(E)传感器结构及可穿戴应用;(F)所开发传感器用于脉搏监测。


该研究成果是继内嵌三维螺旋传感结构(Small. 2018, 14, 1801711)、刚度空间调控水凝胶材料(Mater. Horiz. 2020, 7, 203-213)、环境适应型凝胶传感器件(Small. 2021, 17, 2101151)之后,BEBC在软物质力学、智能柔性传感方向取得的又一重要进展,相关论文以“Harnessing the wide-range strain sensitivity of bilayered PEDOT:PSS films for wearable health monitoring”为题发表于Cell姊妹刊物、国际材料领域顶刊Matter(Matter. 2021, 4, 1-16)。论文的第一作者为BEBC刘灏特聘研究员,徐峰教授、香港大学张世铭助理教授以及美国加州大学洛杉矶分校Ali Khademhosseini教授为共同通讯作者。


该研究成果近日被交大新闻网报道。报道链接:http://news.xjtu.edu.cn/info/1033/138280.htm

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.06.034