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北理工在基于二维材料的多模态人造电子皮肤领域取得重要进展


日(ri)前,北(bei)京(jing)(jing)理(li)工(gong)大学智能(neng)机器(qi)人(ren)研(yan)究(jiu)所赵静(jing)特别研(yan)究(jiu)员与中(zhong)科院物(wu)理(li)所张广宇(yu)研(yan)究(jiu)员、北(bei)京(jing)(jing)纳(na)米能(neng)源与系统(tong)(tong)研(yan)究(jiu)所王中(zhong)林院士团队合作(zuo),设计(ji)了一种基(ji)于(yu)(yu)全(quan)二维材料(liao)的(de)多模(mo)态人(ren)造电子(zi)皮肤,实(shi)现了对外界应变、湿(shi)度等(deng)信号的(de)无互(hu)扰(rao)、高灵(ling)敏度实(shi)时(shi)监测(ce),并成功应用(yong)于(yu)(yu)对人(ren)体呼吸信号的(de)监测(ce)系统(tong)(tong)。特别是提(ti)出了一种通过非接(jie)触模(mo)式可对接(jie)近物(wu)体位(wei)置信号进行提(ti)前预(yu)警,有(you)效避免(mian)了接(jie)触模(mo)式下(xia)多人(ren)使用(yong)设备时(shi)带来的(de)交(jiao)叉感(gan)染(ran)风险。该成果为(wei)基(ji)于(yu)(yu)二维材料(liao)的(de)传感(gan)器(qi)件未来进一步(bu)应用(yong)于(yu)(yu)人(ren)工(gong)假肢、柔性(xing)智能(neng)穿戴等(deng)领域提(ti)供了新的(de)思路。此项工(gong)作(zuo)于(yu)(yu)7月10日(ri)在线发表于(yu)(yu)国际顶级期刊(kan)《先进功能(neng)材料(liao)》上。

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图(tu)1. 多模(mo)态人造电子皮(pi)肤结构示意图(tu)

近年来(lai),人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)造(zao)电(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)皮(pi)(pi)肤(fu)的(de)(de)(de)(de)飞速发展(zhan)已(yi)经取得一定的(de)(de)(de)(de)成(cheng)果,但是(shi)电(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)皮(pi)(pi)肤(fu)要想模(mo)拟、还原甚(shen)至取代机体(ti)皮(pi)(pi)肤(fu),除(chu)了(le)能(neng)(neng)(neng)灵(ling)敏感(gan)(gan)知外(wai)界应(ying)力变化(hua)外(wai),对(dui)(dui)具(ju)(ju)有(you)集(ji)湿度(du)(du)、压(ya)力等(deng)信号(hao)(hao)响(xiang)应(ying)于一体(ti)的(de)(de)(de)(de)多(duo)(duo)功(gong)能(neng)(neng)(neng)集(ji)成(cheng)化(hua)器件阵(zhen)列(lie)的(de)(de)(de)(de)需求(qiu)越来(lai)越受到(dao)(dao)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)们的(de)(de)(de)(de)重视。传(chuan)(chuan)统(tong)的(de)(de)(de)(de)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)造(zao)电(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)皮(pi)(pi)肤(fu)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)大(da)都是(shi)基于接(jie)(jie)触(chu)传(chuan)(chuan)感(gan)(gan)实现的(de)(de)(de)(de),即(ji)外(wai)界刺(ci)激(ji)物与传(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器件相互(hu)接(jie)(jie)触(chu)后通过电(dian)(dian)(dian)学(xue)信号(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)变化(hua)判断出力学(xue)刺(ci)激(ji)的(de)(de)(de)(de)大(da)小,这(zhei)种(zhong)(zhong)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)不可(ke)(ke)(ke)避免(mian)地会使工(gong)作(zuo)过程多(duo)(duo)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)操作(zuo)同一设备时具(ju)(ju)有(you)交(jiao)叉感(gan)(gan)染(ran)的(de)(de)(de)(de)风(feng)险,特别(bie)(bie)是(shi)在大(da)流行病(bing)器件,无(wu)接(jie)(jie)触(chu)操作(zuo)模(mo)式(shi)能(neng)(neng)(neng)够(gou)将风(feng)险降到(dao)(dao)最低(di)。考(kao)虑到(dao)(dao)二维材料的(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸(cun)优势(shi)及柔(rou)性(xing)易(yi)(yi)贴(tie)附与不同衬(chen)底的(de)(de)(de)(de)特征,基于晶圆尺(chi)寸(cun)生长的(de)(de)(de)(de)石墨烯、二硫化(hua)钼薄膜(mo),发展(zhan)了(le)一种(zhong)(zhong)多(duo)(duo)模(mo)态响(xiang)应(ying)的(de)(de)(de)(de)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)造(zao)电(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)皮(pi)(pi)肤(fu),这(zhei)种(zhong)(zhong)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)造(zao)电(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)皮(pi)(pi)肤(fu)不仅具(ju)(ju)有(you)类(lei)似皮(pi)(pi)肤(fu)的(de)(de)(de)(de)多(duo)(duo)功(gong)能(neng)(neng)(neng)传(chuan)(chuan)感(gan)(gan)功(gong)能(neng)(neng)(neng),其(qi)高灵(ling)敏度(du)(du)、快速响(xiang)应(ying)时间、多(duo)(duo)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)等(deng)性(xing)能(neng)(neng)(neng)远超(chao)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)类(lei)皮(pi)(pi)肤(fu)。利用(yong)石墨烯与二硫化(hua)钼器件只分别(bie)(bie)对(dui)(dui)应(ying)变和湿度(du)(du)信号(hao)(hao)有(you)响(xiang)应(ying)的(de)(de)(de)(de)特点加(jia)工(gong)得到(dao)(dao)集(ji)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)传(chuan)(chuan)感(gan)(gan)阵(zhen)列(lie),可(ke)(ke)(ke)同时实现接(jie)(jie)触(chu)、非接(jie)(jie)触(chu)模(mo)式(shi)下对(dui)(dui)外(wai)界刺(ci)激(ji)的(de)(de)(de)(de)识别(bie)(bie),特别(bie)(bie)是(shi)利用(yong)湿度(du)(du)信号(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)变化(hua)实现无(wu)接(jie)(jie)触(chu)模(mo)式(shi)下信号(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)读取,改善了(le)传(chuan)(chuan)统(tong)电(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)皮(pi)(pi)肤(fu)只通过接(jie)(jie)触(chu)模(mo)式(shi)进行信号(hao)(hao)读取易(yi)(yi)引发交(jiao)叉感(gan)(gan)染(ran)的(de)(de)(de)(de)弊端。通过对(dui)(dui)器件阵(zhen)列(lie)的(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)路设计,有(you)效解决柔(rou)性(xing)衬(chen)底上多(duo)(duo)个(ge)器件互(hu)联互(hu)扰的(de)(de)(de)(de)问题(ti),实现多(duo)(duo)路复(fu)用(yong)。基于此加(jia)工(gong)得到(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)造(zao)电(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)皮(pi)(pi)肤(fu)置(zhi)于口(kou)罩内,可(ke)(ke)(ke)以(yi)对(dui)(dui)呼(hu)(hu)吸信号(hao)(hao)(包(bao)括呼(hu)(hu)吸频率、强度(du)(du)、湿度(du)(du)等(deng))进行实时监(jian)测,且(qie)通过设置(zhi)警报(bao)线可(ke)(ke)(ke)以(yi)对(dui)(dui)被监(jian)测者健康状况进行报(bao)警。这(zhei)种(zhong)(zhong)多(duo)(duo)模(mo)态的(de)(de)(de)(de)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)造(zao)电(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)皮(pi)(pi)肤(fu)可(ke)(ke)(ke)以(yi)广泛(fan)应(ying)用(yong)与智能(neng)(neng)(neng)假肢、健康监(jian)测等(deng)领域,且(qie)为人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)机交(jiao)互(hu)提供了(le)一种(zhong)(zhong)新(xin)的(de)(de)(de)(de)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)。未来(lai)结合无(wu)线信号(hao)(hao)传(chuan)(chuan)输系(xi)统(tong),可(ke)(ke)(ke)实现对(dui)(dui)病(bing)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)健康信号(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)实时监(jian)测,为远程医疗的(de)(de)(de)(de)发展(zhan)提供了(le)新(xin)的(de)(de)(de)(de)机遇。

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图2. 人(ren)造电子皮肤对呼吸(xi)信号的(de)监(jian)测(ce)及利用无接触(chu)定位系统对人(ren)手移动(dong)位置进行实时监(jian)测(ce)。

赵(zhao)静特别研究(jiu)员为该(gai)(gai)工(gong)作的第(di)一(yi)作者(zhe)(zhe)、通讯作者(zhe)(zhe),王中(zhong)林院(yuan)士(shi)为共同通讯作者(zhe)(zhe),北京理工(gong)大(da)(da)学为第(di)一(yi)单位。该(gai)(gai)工(gong)作得到(dao)科(ke)技部(bu)重点(dian)研发计(ji)划“智能(neng)机(ji)器人”专项、国家自然科(ke)学基金以及北京理工(gong)大(da)(da)学青年教师学术启动计(ji)划的支持。

文章(zhang)信息(xi):

Jing Zhao*, Zheng Wei, Zhongyi Li, Jinran Yu, Jian Tang, Guangyu Zhang, Zhonglin Wang*, Skin-inspired High-Performance Active-matrix Circuitry for Multimodal User-interaction, Advanced Functional Materials,

文章(zhang)链接(jie):


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