纳米材料在电子皮肤中的应用

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  摘  要:电子皮肤是一种典型的柔性可穿戴电子设备,其对制作材料有着很高要求。纳米材料及其复合材料具有柔韧度高、导电性好、易于功能化等特性,非常适合用来制作电子皮肤。该文对目前纳米材料在电子皮肤各功能部件中的应用进行了介绍,归纳了电子皮肤目前的功能应用,并对纳米材料如何在电子皮肤中应用的研究思路和方法进行了总结与展望。
  关键词:纳米材料;电子皮肤;柔性;传感器;生物相容性
  中图分类号:TB383            文献标志码:A
  0 引言
  近年来,柔性可穿戴电子设备的迅速兴起,改变了传统的医疗诊断模式,通过这些设备就可以实时、无创、舒适地监测生理信息,为医疗保健提供新的途径。
  电子皮肤是一种典型的柔性可穿戴电子设备。最初发明电子皮肤是想将其运用在机器人上,使其获得触觉,以此来提高其动作的操作质量[1],后来也逐渐将其运用到人体上,以此来实现医学检测、医疗康复、保健护理等目的。它由柔性基底、柔性电极、柔性传感器构成,其中柔性传感器为核心部件,由具有压敏、电敏等功能的材料制成。以人体皮肤为参照,可以发现电子皮肤对器件整体的柔韧度、对外界刺激的灵敏度、生物相容性等诸多方面都提出了很高要求,因此选择合适的制作材料是关键。
  常用的制作材料包括无机半导体材料、金属材料及高分子材料等,大多存在透明性、柔韧性与导电性等性能无法兼顾的问题[1-2],难以满足电子皮肤微型而且多功能的要求。与之相比,纳米材料具有独特的优越性,它们通常质量轻、柔韧性好、刚度强度超过钢铁,并且表面薄、透明性高,尺寸小[2-3],为进出生物膜及参与血液循环提供了方便[7]。比表面积大,吸附能力强,能为许多化学反应提供大量的活性位点,易于功能化。导热率、导电率高且传导速率快。热化学稳定性优良,生物相容性较好。通过对其结构、形状、尺寸进行改装或与其他材料进行复合,还可以对其性能进行整体优化,或获得更丰富的性能。这使其在电子皮肤中有很强的应用优势,因此逐渐成为研究电子皮肤多功能集成材料的关注重点。
  该文将以2类典型的纳米材料——石墨烯和纳米金属材料为例,介绍其在电子皮肤各部件中的应用,旨在通过回顾这些应用,了解纳米材料在电子皮肤中的应用研究进展,并对研究思路和方法进行总结与展望,以期能够给后续研究带来启发。
  1 纳米材料在电子皮肤中的应用
  从研究内容上看,目前研究者们已参照人体皮肤的基础功能,对石墨烯、纳米金属材料在压力传感、温度传感、湿度传感、生物传感等方面的应用进行了研发,并在每个方面不断创新和完善。此外,研究者们还致力于研究电子皮肤的多功能集成,通过石墨烯、纳米金属材料赋予电子皮肤独特的功能,如自供电、自清洁等。
  1.1 满足基础功能
  1.1.1 制作压力传感器
  用石墨烯、納米金属材料制作压力传感器,其导电性好、灵敏度高、响应时间短、传感范围大、长期稳定耐用。
  关于石墨烯,程萌[2]利用石墨烯设计了一种具有压缩弹簧结构的传感器,柔性优良,能实现拉伸、弯曲、扭转的感应,进而可以实现对人体活动的监测。
  关于纳米金属材料,程萌[2]还介绍了用银纳米线纤维制备的压力传感器,可以分别在电容、电阻模式下对压力、平面应变进行感应。
  1.1.2 制作温度传感器
  石墨烯和纳米金属材料比表面积大、电敏、热敏性优良,制作出的温度传感器精度较高、重复性好,有望达到人体皮肤要求[3-4]。
  关于石墨烯,黄奇凡[3]实验发现在PDC-SiCNO陶瓷温度传感器中添加石墨烯后,其导电率、可重复性、稳定性均更好,原因是因为GO是导电颗粒,各颗粒之间存在“电场强度集中” 现象,使陶瓷结构中的电子更容易通过陶瓷基体,则表现为电导率的增大,从而显示温度。
  关于纳米金属材料,高晓月[4]基于金属硫化物微纳米薄膜制备了柔性温度传感器,温度传感效果良好。
  1.1.3 制作湿度传感器
  石墨烯、纳米金属颗粒表面积巨大、亲水性强、化学活性位点多、对湿度高度敏感,环境湿度变化可迅速引起其表面变化,因此受到研究者的热切关注[5-6]。
  关于石墨烯,王贵欣[5]以喷墨印刷法制备了柔性石墨烯湿度传感器,成本低廉、灵敏度优异(22mV/%RH)、恢复迅速(3.5 s)。
  关于纳米金属材料,符韬[6]利用静电纺丝技术制备了ZnFe2O4纳米湿度传感器,最高灵敏度为85.03(75%RH~95%RH),响应时间为5.60 s(35%RH~75%RH),与同类型湿度传感器相比具有更快的响应速度。
  1.1.4 制作生物传感器
  石墨烯和纳米金属材料都具有大的比表面积和丰富的特异活性位点,通过对其结构进行适当的修饰改装或与其他材料进行复合,即可制成生物传感器,对癌细胞进行检测。而将石墨烯和纳米金颗粒结合来构建生物传感器,不仅可以提高导电性而且生物相容性优良。陈霞[7]介绍了一种基于金纳米粒子功能化石墨烯复合物的生物传感器,实现了对癌胚抗原的Anti-CEA的定量检测,线性范围是1 fg/mL~1 100 ng/mL,检测限为0.1 fg/mL。
  2 实现附加功能
  2.1 自供电
  虽然目前电池仍是制作电子皮肤的首选,但其灵活性和可拉伸性限制了其应用。而基于压电发电原理和摩擦发电原理制作的,将机械能转化为电能的柔性纳米发电机,为电子皮肤提供了很有吸引力的自供电解决方案[8]。
  其中摩擦纳米发电机的发电原理是2个电负性差很大的2层薄膜背接电极,2个电极接触时,2层薄膜摩擦,分开时带上了相反的电荷,造成电势差,从而使电子在2个电极之间流动,以平衡薄膜间的静电电势差。当2个接触面再次重合时,电势差消失,电子反向流动。通过2个电极不断接触和分开,摩擦发电机的输出端就将输出交变的电流脉冲信号,从而对外输出电能。韩杰敏等[8]人基于该原理,用石墨烯森林电极构建了柔性摩擦纳米发电机,产生了稳定的电压输出(20 V)和电流输出(0.75 μA)。   2.2 自清洁
  自清洁是指利用空气、阳光、水等自动清除沾有污渍的表面,主要与表面润湿性有关。
  关于石墨烯,有人利用石墨烯分子边缘区官能团亲水性强的特性,以还原氧化石墨烯和纳米结构的聚α-甲基苯乙烯制备了涂层织物,该织物具有自清洁、高导电、超疏水的特点。
  关于纳米金属材料,徐群娜等基于纳米TiO2,提出了一种以原位水解,并在表面掺入小分子的方法来制备具有自清洁和防霉功能的涂膜。
  3 电子皮肤的功能应用
  电子皮肤可以帮助机器人精确获取环境信息,提高识别、调节等操作的质量[1]。它也可穿戴在人体上,对呼吸、心率、脉搏、喉部肌肉群震动、眼球压力或其他部位肌肉和表皮的运动等的人体相关生理信号进行实时跟踪评测,为慢性疾病患者带来福音[2-3]。此外科学家正努力将电子皮肤移植到人体上,给残疾人的仿生假肢赋予真实触觉,或让皮肤烧伤患者重新获得美丽的皮肤[1-2]。总之,电子皮肤在人工智能、健康监测、医疗康复等领域都有着非常广阔的应用前景。
  4 结语
  该文以2类典型的纳米材料——石墨烯、纳米金属材料为例,综述了纳米材料在电子皮肤中的应用,分析了纳米材料的功能性和生物相容性,并简要总结了目前电子皮肤的功能应用。从以上内容中可以发现,研究者的研究内容可以分为2个方面。1)优化已有功能,使电子皮肤更高精。利用纳米材料及其复合材料的精巧结构,以及柔韧度高、导电性好等特点,改进制备工艺,优化电子皮肤的灵敏度、精准度、检测限等。2)集成多种功能,使电子皮肤更实用。利用纳米材料尺寸小、比表面积大、吸附性强、易于功能化等特点,改进制备工艺,让电子皮肤集成多角度检测和调节功能,并根据环境情况进行自供电、自清洁等操作。使各个功能之间相互兼容,找到各功能之间的最佳平衡。
  该文提到的研究者所用的功能优化集成的思路方法可归纳为以下2点。1)对材料表面改性。利用纳米材料比表面积大、吸附性强、易功能化等特点,通过引入官能团、掺杂金属纳米粒子等手段,增强亲水性、生物相容性等所需性能。2)与其他材料复合。通过沉积、纺丝、涂覆、组装等方法,将纳米材料与聚α-甲基苯乙烯、水凝胶等材料复合,结合各自的优点以获得更佳性能。
  此外,如何提高电子皮肤的生物相容性、实现电子皮肤与周围神经细胞的交互,使人获得逼真触觉、如何降低成本以实现大面积生产等,也将是今后重要的研究方向。
  从总体上看,电子皮肤的发展需要材料科学、生命科学、人工智能等多学科的共同努力。期待未来借助纳米材料的优势,电子皮肤能发挥出自身的卓越性能,为机器人的智能服务增色添彩,为人类的生命健康保驾护航。
  参考文献
  [1]邱澜,曹建国,周建辉,等.机器人柔弹性仿生电子皮肤研究进展[J].中南大学学报(自然科学版),2019,50(5):1065-1074.
  [2]程萌.基于金属纳米线及碳纳米材料的柔性电子器件[D].北京:中国科学院大学,2016.
  [3]黄奇凡.石墨烯改性PDC-SiCN陶瓷的制備、性能及其温度传感器的应用[D].厦门:厦门大学,2017.
  [4]高晓月.基于金属硫化物微纳米薄膜对电极的纤维状量子点敏化太阳能电池和多种柔性温度传感器的制备研究[D].厦门:厦门大学,2019.
  [5]王贵欣,裴志彬,叶长辉.自供能柔性氧化石墨烯湿度传感器的喷墨印刷制备及性能研究[J].无机材料学报,2019,34(1):115-119.
  [6]符韬.基于静电纺丝技术的一维纳米材料在湿度传感器中的应用[D].长沙:湖南大学,2015.
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