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隊合作,，設(shè)計了一種基于全二維材料的多模態(tài)人造電子皮膚,，實現(xiàn)了對外界應(yīng)變,、濕度等信號的無互擾,、高靈敏度實時監(jiān)測,，并成功應(yīng)用于對人體呼吸信號的監(jiān)測系統(tǒng),。特別是提出了一種通過非接觸模式可對接近物體位置信號進(jìn)行提前預(yù)警，有效避免了接觸模式下多人使用設(shè)備時帶來的交叉感染風(fēng)險,。該成果為基于二維材料的傳感器件未來進(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。此項工作于7月10日在線發(fā)表于國際頂級期刊《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,，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,、還原甚至取代機體皮膚,，除了能靈敏感知外界應(yīng)力變化外，對具有集濕度、壓力等信號響應(yīng)于一體的多功能集成化器件陣列的需求越來越受到人們的重視,。傳統(tǒng)的人造電子皮膚工作模式大都是基于接觸傳感實現(xiàn)的,，即外界刺激物與傳感器件相互接觸后通過電學(xué)信號的變化判斷出力學(xué)刺激的大小，這種工作模式不可避免地會使工作過程多人操作同一設(shè)備時具有交叉感染的風(fēng)險,，特別是在大流行病器件,，無接觸操作模式能夠?qū)L(fēng)險降到最低?？紤]到二維材料的尺寸優(yōu)勢及柔性易貼附與不同襯底的特征,，基于晶圓尺寸生長的石墨烯、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應(yīng)變和濕度信號有響應(yīng)的特點加工得到集成的傳感陣列,，可同時實現(xiàn)接觸,、非接觸模式下對外界刺激的識別，特別是利用濕度信號的變化實現(xiàn)無接觸模式下信號的讀取,，改善了傳統(tǒng)電子皮膚只通過接觸模式進(jìn)行信號讀取易引發(fā)交叉感染的弊端,。通過對器件陣列的電路設(shè)計，有效解決柔性襯底上多個器件互聯(lián)互擾的問題,，實現(xiàn)多路復(fù)用,。基于此加工得到的人造電子皮膚置于口罩內(nèi),，可以對呼吸信號（包括呼吸頻率,、強度、濕度等）進(jìn)行實時監(jiān)測,，且通過設(shè)置警報線可以對被監(jiān)測者健康狀況進(jìn)行報警,。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)測等領(lǐng)域,，且為人機交互提供了一種新的工作模式,。未來結(jié)合無線信號傳輸系統(tǒng)，可實現(xiàn)對病人健康信號的實時監(jiān)測,，為遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展提供了新的機遇,。
圖2. 人造電子皮膚對呼吸信號的監(jiān)測及利用無接觸定位系統(tǒng)對人手移動位置進(jìn)行實時監(jiān)測。
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研發(fā)計劃“智能機器人”專項,、國家自然科學(xué)基金以及北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動計劃的支持,。
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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