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静电纺丝技术加速柔性电子皮肤的发展
2022/11/2 11:07:20 admin

柔性电子领域全球领先的大牛之一,东京大学Takao Someya教授在《Toward a new generation of smart skins》一文中提出了智能电子皮肤存在的挑战,包括:1、减小设备的尺寸与干扰;2、优化电池功率;3、提升稳定性与工作寿命;4、优化传感器件的灵敏度和动态范围;5、增强设备的生物相容性。

 

并指出电子皮肤的4个最新研究趋势:

1、新结构:智能皮肤的结构正在从可拉伸的传感器发展到超薄的传感器,再到透气的传感器,从而增强了生物相容性,并减轻了传感器附件人员的负担。

2、多模式:多模式传感器正在从电传感器扩展到物理传感器,再到化学传感器。

3、多功能:除了感应功能外,集成了更先进的功能,如刺激、给药和显示。

4、新材料:诸如自愈导体、本质可拉伸半导体和光活性材料等新材料的开发。

 

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5篇关于静电纺纳米纤维用于电子皮肤的研究进展

静电纺纳米纤维具有高孔隙率、较强的柔韧性等特点,赋予电子皮肤较强的可拉伸性、透气性等,使其与皮肤紧密接触,因此测量生物信号的精度要比以前的传感器高得多。本文梳理了精选了5篇关于静电纺纳米纤维用于电子皮肤的研究进展,供大家学习了解。

 

1、《Nature Communications》:静电纺自组装微金字塔阵列膜,用于高性能、无感知性皮肤器件

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➣南京大学潘力佳教授和施毅教授课题组开发出一种静电纺自组装微金字塔阵列膜,该膜具有超薄、超轻、透气的结构,以及良好的光、热、力、电性能,构建的舒适型贴合皮肤器件在日间辐射制冷、压力传感和生物能收集等领域表现出优良的性能。

 

➣EMPA薄膜超轻,每平方厘米的质量仅为1.1毫克。此外,由松散的微/纳米纤维组成的EMPA薄膜具有良好的透气性。

 

➣佩戴基于EMPA双分子层装置7小时后,皮肤细腻,外观不变。另外,在裸指和EMPA设备条件下的握力和附加握力p值均为1.0,说明皮肤上的EMPA设备不干扰抓握物体的感觉运动处理。因此,EMPA器件具有良好的无感性。

 

2、《Advanced Functional Materials》:同时具有透气性和皮肤适应性的多功能柔性电子产品

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➣香港大学徐立之教授团队针对多种加工工艺不兼容的问题,提出了一种基于印章转移技术和静电纺丝技术相结合的方法,实现了高性能微制造传感器件与电纺纤维多孔柔性基底的混合集成。

 

➣该器件具有完美类组织的机械性能和优异的透气性。此外,剪纸结构(kirigami design)增加了纳米纤维基底的可拉伸性和3D适形能力,实现了与皮肤的大面积集成。

 

➣这些多功能皮肤电子产品提供的强大性能和制造可扩展性可能,为开发先进的可穿戴系统创造更多机会。

 

3、《InfoMat》:静电纺丝结合原位静电喷涂,构建用于电子皮肤的超强可拉伸电极

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➣中国科学院宁波所李润伟研究员和宁波诺丁汉大学朱光教授合作,利用静电纺丝和原位静电喷涂的工艺,制备出液态金属微纳颗粒-聚氨酯(TPU)多孔复合材料,经过机械激活,可以得到液态金属基超稳定可拉伸电极(NHSE)。

 

➣可实现极低初始方阻(52mΩ sq-1),极强的动态循环稳定性(33万次100%拉伸应变循环,电阻仅变化5%),同时电极展现出服役环境不敏感(冷热、酸碱、浸水),解决了导电材料与弹性材料杨氏模量不匹配、液态金属与弹性体界面结合能力差的问题。

 

➣该电极可用于全天候人体表皮生理信号监测,智能人机交互界面及人体热疗等方面。

 

4、《Advanced Functional Materials》:透汗、可生物降解、高透明和自供电集一体的多功能壳聚糖电子皮肤

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➣纳米能源所王中林院士团队展示了一种简单、高效且可规模制备金纳米纤维电极的方法,成功制备了多功能的金纳米纤维电极。

 

➣其透明度可以达到86%,在拉伸80%的状态下导电率为25.8 Ω sq−1。与此同时,由于纤维网络的交错结构和众多的微纳孔洞,能够保证电极的透气舒适性,显示了其在可穿戴电子方面的应用前景。

 

➣设计了一种基于摩擦纳米发电机的多功能自驱动电子皮肤,灵敏的感知功能和多样的实用功能被很好地集成到该电子皮肤中,其在绿色电子设备、透明器件和舒适可穿戴产品等领域具有广泛的应用前景。

 

5、《Nature Materials》:可渗透超弹性液体金属纤维垫开发生物相容性和整体可拉伸电子产品


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➣香港理工大学郑子剑课题组报导了一种可拉伸导体—“液态金属纤维毡”(LMFM),该导体通过将液态金属简单涂覆或印刷到静电纺弹性纤维毡上而制成。

 

➣悬挂在弹性纤维之间的液态金属会自组织成横向网状和垂直弯曲的结构,同时提供高渗透性,可拉伸性,电导率和电稳定性。

 

➣此外,液态金属纤维毡具有良好的生物相容性,对超过1800%应变的全向拉伸具有很好的适应性。

 

参考文献:

1、Zhang, JH., Li, Z., Xu, J. et al. Versatile self-assembled electrospun micropyramid arrays for high-performance on-skin devices with minimal sensory interference. Nat. Commun. 13, 5839 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33454-y

2、Li, H., et al., Breathable and Skin-Conformal Electronics with Hybrid Integration of Microfabricated Multifunctional Sensors and Kirigami-Structured Nanofibrous Substrates. Adv. Funct. Mater. 2022, 2202792. https://doi.org/10.1002/adfm.202202792

3、Cao, J., Liang, F., Li, H. et al. Ultra-robust stretchable electrode for e-skin: In situ assembly using a nanofiber scaffold and liquid metal to mimic water-to-net interaction. InfoMat,4, e12302, (2022). https://doi.org/10.1002/inf2.12302

4、Peng, X., Dong, K. et al. Sweat-Permeable, Biodegradable, Transparent and Self-powered Chitosan-Based Electronic Skin with Ultrathin Elastic Gold Nanofibers.Adv. Funct. Mater. 32, 2112241, (2022). https://doi.org/10.1002/adfm.202112241

5、Ma, Z., Huang, Q., Xu, Q. et al. Permeable superelastic liquid-metal fibre mat enables biocompatible and monolithic stretchable electronics. Nat. Mater. 20, 859–868 (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-020-00902-3


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