DOI: 10.1021/acsami.2c04593

电子皮肤（e-skins）在可穿戴设备中的研究和应用越来越多，但传统电子皮肤的鲁棒性和生产便利性受到限制。在这项工作中，研究者开发出电纺三明治结构弹性薄膜（ESEFs），并将其用作电容电子皮肤。ESEFs由两个作为电极层的纳米复合材料垫和一个作为介电层的夹层热塑性聚氨酯（TPU）垫组成。纳米复合材料垫由热塑性聚氨酯（TPU）和AgNW桥接MXene（AgNW，银纳米线；MXene，Ti3C2Tx）导电网络组成。所得ESEFs显示出14.80MPa的拉伸强度、270%的断裂伸长率和出色的抗疲劳性能。这种ESEFs电子皮肤能够以较高的应变灵敏度系数（GF）对应变和压力做出响应（应变：GF=1.21；压力：GF=0.029kPa-1），且响应范围较宽（应变：0-150%；压力：0-70kPa），响应时间较短，稳定性极好（2000次循环）。在集成传感性能的基础上，可将这种电子皮肤进一步应用于监测日常生活中的各种机械刺激，包括塑料板的弯曲、关节弯曲及吞咽。

图1.（a）MXene的典型SEM图像。（b）MXene的TEM图像。（c）AgNW的典型SEM图像。（d）电纺TPU薄膜、（e）单层电纺TPU/MXene/AgNW薄膜和（f）ESEF的宏观照片。（g）TPU薄膜的SEM图像。（h）显示ESEF表面形态的SEM图像。（i）显示ESEF断裂表面形态的SEM图像。（j）h中SEM图像的C、Ti、F和Ag映射。（k）ESEF中的Ti分布。（l）ESEF中的F分布。（m）ESEF中的Ag分布。（n）MAX、MXene、AgNW和ESEF的XRD曲线。

图2.ESEF的力学性能。（a）显示电纺TPU薄膜拉伸的照片。（b）显示ESEF拉伸的照片。（c）在不同TPU浓度下制备的电纺TPU薄膜的应力-应变曲线。（d）在不同MXene含量下制备的ESEF的应力-应变曲线。TPU：12wt％；AgNW：2wt%。（e）50%固定应变下ESEF的拉伸加载-卸载曲线。TPU：12wt％；MXene：4wt％；AgNW：2wt%。（f）随着应变从10%增加到50%，ESEF的拉伸加载-卸载曲线。TPU：12wt％；MXene：4wt％；AgNW：2wt%。

图3.由在下列条件下制备的ESEF组装而成的电容式电子皮肤的应变传感性能：TPU12wt%、MXene4wt%和AgNW2wt%。（a）基于ESEF的电容式电子皮肤的应变传感机制示意图。（b）电子皮肤对逐渐增加的应变和减少的应变的电容响应。（c）ΔC/C0随应变增加的变化及其线性拟合曲线。（d）电子皮肤对瞬时应变加载和卸载的电容响应。（e）电子皮肤对不同频率的循环应变的电容响应。（f）电子皮肤对不同幅度的循环应变的电容响应。（g）电子皮肤对150%循环应变的电容响应。插图显示了标记部分的放大曲线。

图4.由在下列条件下制备的ESEF组装而成的电容式电子皮肤的压力传感性能：TPU12wt%、MXene4wt%和AgNW2wt%。（a）基于ESEF的电容式电子皮肤的压力传感机制示意图。（b）电子皮肤对逐渐增加的压力的电容响应。（c）电子皮肤的ΔC/C0随压力增加的变化及其线性拟合曲线。（d）电子皮肤对瞬时压力负载的电容响应。（e）电子皮肤对不同频率的循环压力的电容响应。（f）电子皮肤对不同幅度的循环压力的电容响应。（g）电子皮肤对循环压力的电容响应。插图显示了标记部分的放大曲线。

图5.电容式电子皮肤用于监测日常生活中的机械刺激。（a）照片显示附着在不同角度塑料板上的弯曲电容式电子皮肤。（b）附着在塑料板上的电容式电子皮肤对逐渐弯曲过程和伸直过程的电容响应。（c）附着在食指上的电容式电子皮肤对手指关节弯曲的电容响应，以及对（d）腕关节弯曲、（e）肘关节弯曲、（f）吞咽的电容响应。