北理工在基于二維材料的多模態(tài)人造電子皮膚領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2021-07-14 供稿：智能機(jī)器人與系統(tǒng)高精尖創(chuàng)新中心
編輯：程康 審核：杜寧 閱讀次數(shù)：日前，北京理工大學(xué)智能機(jī)器人研究所趙靜特別研究員與中科院物理所張廣宇研究員,、北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士團(tuán)隊(duì)合作,，設(shè)計(jì)了一種基于全二維材料的多模態(tài)人造電子皮膚，實(shí)現(xiàn)了對(duì)外界應(yīng)變,、濕度等信號(hào)的無(wú)互擾,、高靈敏度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并成功應(yīng)用于對(duì)人體呼吸信號(hào)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),。特別是提出了一種通過(guò)非接觸模式可對(duì)接近物體位置信號(hào)進(jìn)行提前預(yù)警,，有效避免了接觸模式下多人使用設(shè)備時(shí)帶來(lái)的交叉感染風(fēng)險(xiǎn)。該成果為基于二維材料的傳感器件未來(lái)進(jìn)一步應(yīng)用于人工假肢,、柔性智能穿戴等領(lǐng)域提供了新的思路,。此項(xiàng)工作于7月10日在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《先進(jìn)功能材料》上,。
圖1. 多模態(tài)人造電子皮膚結(jié)構(gòu)示意圖
近年來(lái)，人造電子皮膚的飛速發(fā)展已經(jīng)取得一定的成果,，但是電子皮膚要想模擬,、還原甚至取代機(jī)體皮膚，除了能靈敏感知外界應(yīng)力變化外,，對(duì)具有集濕度,、壓力等信號(hào)響應(yīng)于一體的多功能集成化器件陣列的需求越來(lái)越受到人們的重視。傳統(tǒng)的人造電子皮膚工作模式大都是基于接觸傳感實(shí)現(xiàn)的,，即外界刺激物與傳感器件相互接觸后通過(guò)電學(xué)信號(hào)的變化判斷出力學(xué)刺激的大小,，這種工作模式不可避免地會(huì)使工作過(guò)程多人操作同一設(shè)備時(shí)具有交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)，特別是在大流行病器件,，無(wú)接觸操作模式能夠?qū)L(fēng)險(xiǎn)降到最低,。考慮到二維材料的尺寸優(yōu)勢(shì)及柔性易貼附與不同襯底的特征,，基于晶圓尺寸生長(zhǎng)的石墨烯,、二硫化鉬薄膜，發(fā)展了一種多模態(tài)響應(yīng)的人造電子皮膚,，這種人造電子皮膚不僅具有類似皮膚的多功能傳感功能,，其高靈敏度、快速響應(yīng)時(shí)間,、多工作模式等性能遠(yuǎn)超人類皮膚,。利用石墨烯與二硫化鉬器件只分別對(duì)應(yīng)變和濕度信號(hào)有響應(yīng)的特點(diǎn)加工得到集成的傳感陣列，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)接觸,、非接觸模式下對(duì)外界刺激的識(shí)別,，特別是利用濕度信號(hào)的變化實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸模式下信號(hào)的讀取，改善了傳統(tǒng)電子皮膚只通過(guò)接觸模式進(jìn)行信號(hào)讀取易引發(fā)交叉感染的弊端,。通過(guò)對(duì)器件陣列的電路設(shè)計(jì),，有效解決柔性襯底上多個(gè)器件互聯(lián)互擾的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用,?；诖思庸さ玫降娜嗽祀娮悠つw置于口罩內(nèi)，可以對(duì)呼吸信號(hào)（包括呼吸頻率,、強(qiáng)度,、濕度等）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且通過(guò)設(shè)置警報(bào)線可以對(duì)被監(jiān)測(cè)者健康狀況進(jìn)行報(bào)警,。這種多模態(tài)的人造電子皮膚可以廣泛應(yīng)用與智能假肢,、健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，且為人機(jī)交互提供了一種新的工作模式,。未來(lái)結(jié)合無(wú)線信號(hào)傳輸系統(tǒng),，可實(shí)現(xiàn)對(duì)病人健康信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),，為遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。
圖2. 人造電子皮膚對(duì)呼吸信號(hào)的監(jiān)測(cè)及利用無(wú)接觸定位系統(tǒng)對(duì)人手移動(dòng)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),。
趙靜特別研究員為該工作的第一作者,、通訊作者，王中林院士為共同通訊作者,，北京理工大學(xué)為第一單位,。該工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“智能機(jī)器人”專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金以及北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動(dòng)計(jì)劃的支持,。
文章信息：
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,
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202105480
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