近日，青岛大学物理科学学院龙云泽教授课题组在电子皮肤领域取得重要进展，相关成果以“Bionic Single-Electrode Electronic Skin Unit Based on Piezoelectric Nanogenerator”为题发表在国际纳米领域的顶级期刊《ACS Nano》（Volume 12，pages 8588-8596，DOI: 10.1021/acsnano.8b04244），该期刊SCI影响因子为13.7。该文共同第一作者为博士后王晓雄和硕士生宋威志，青岛大学物理学院为第一单位。
随着人工智能的快速发展，机器人的仿生研究成为热点研究课题，特别是用于压力、温度传感的电子皮肤。但是，对人类而言较为困难的数学逻辑等在人工智能领域较为容易实现，简单的触觉、视觉等对人类而言非常简单的感官知觉，在人工智能领域的实现则较为困难。因此本工作使用静电纺丝高分子PVDF纳米纤维的压电、热释电机制集成触觉和温度传感性能，实现仿生皮肤的基本功能。特别是通过合理设计双电容的电势对比，将复杂的传感器阵列双电极创新性地简化为单电极器件，从而极大地简化了电子皮肤的结构。
用手持式静电纺丝制备的单电极电子皮肤表现出优异的性能，特别是在抗短路方面，由于只需一组电极，传感单元本身避免了短路风险。而进一步的研究表明，相邻单元间的短路也不会导致传感信号的失真，这是传统双电极构型电子皮肤，特别是电阻型电子皮肤所没有的特性。这一研究一方面设计了新型的仿生电子皮肤，另一方面则提出了一类新型元器件的设计构想，基于这一构想将可设计多种新型电子元件。
图1.制作单电极电子皮肤。（a）制造工艺流程。（b）静电纺丝过程中PVDF分子结构的变化。（c）使用手持式静电纺丝装置制造电子皮肤的过程的照片。
图2.两种不同形式的电子皮肤的结构和属性。(a) 金电极上的电子皮肤的照片。 (b) PVDF膜的SEM图像和纳米纤维直径分布图。(c) 使用ITO电极的电子皮肤。(d) 具有ITO电极的e-皮肤的UV.vis吸收光谱。
图3.单电极皮肤的工作机制。(a) 电子皮肤的结构和原理。(b，c) 当装置施加冲击和释放应变时，由于压电效应引起的电信号。(d，e) 应用弯曲和不弯曲时的装置，由于压电效应引起的电信号。(f，g) 由于加热和冷却时器件的热电效应引起的电信号。(h，i) 计算电偶极子变化前后的电位分布。
图4.不同条件下电子皮肤的开路电压信号：(a) 0.1 Hz以下的重复压缩冲击，(b) 相同的压力下，不同的膜面积，(c) 具有相同的膜面积，压力不同，(d) 在反复压缩下冲击60分钟，(e) 0.8赫兹反复弯曲和不弯曲。(f) 在相同的对比温度下施加相同的温度。(g) 在不同的初始温度下施加相同的温度梯度。 (h) 不同条件下PVDF的I.V曲线温度。
图5.（a，b，c）手、脚跟和关节模仿拍桌子、走路、跑步和不同频率的电子皮肤的照片弯曲和相应的输出电压。(d) 模拟用带有电子皮肤的手触摸并移开热水杯（约87°C）和相应的输出电压。
除了电子皮肤，该课题组还探索了静电纺丝纳米纤维在压电-热电纳米发电机（Journal of Materials Chemistry A, 6(8), 3500-3509 (2018)）、无线智能传感器（Nanoscale, 2018, DOI: 10.1039/C8NR05292A）、药物释放与监控（Chemical Engineering Journal,350,645-652 (2018)；349, 554-561 (2018)）、可监控呼吸的纳米纤维智能口罩（ACS Applied Materials and Interfaces, 10(23),19863-19870 (2018)）、促进疤痕愈合的伤口敷料（ACS Applied Materials & Interfaces, 9(38), 32545-32553 (2017)）、快速去除室内PM2.5（Nanoscale, 9(12): 4154-4161 (2017)）、水果保鲜膜（Nanoscale Research Letters, 13,239 (2018)）等方面的应用。
此外，该课题组在研究功能材料（包括电纺纳米纤维）的光学性能（Acta Materialia,152, 148-154 (2018)；Optical Materials Express, 8(6), 1425-1434 (2018)）、低温电学和磁学性能（Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 467, 74-81 (2018)；DOI: 10.1016/j.jmmm.2018.08.046；469(1), 8-12 (2019)）等方面也取得较大进展。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b04244
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