基于可调控石墨烯/银纳米复合材料的全柔性多功能指纹状电子皮肤传感器

来源：材料科学前沿

多功能电子皮肤可模拟人体皮肤的感知系统而广泛应用于智能机器人、灵巧假肢、人体健康监测设备上。现有电子皮肤的灵敏度较低、多功能感知中信号串扰严重，制约了电子皮肤的实际应用。受人手指纹纹理启发，浙江大学汪延成和梅德庆教授团队提出了一种模拟手指纹理、用于温度与压力感知的高灵敏全柔性指纹状电子皮肤传感器的研制。相关工作以“Fully Elastomeric Fingerprint-Shaped ElectronicSkin Based on Tunable Patterned Graphene/Silver Nanocomposites”为题，发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊。朱凌锋博士生为论文第一作者，汪延成副教授为论文通讯作者。1、全柔性指纹状电子皮肤的新型分区域结构设计通过对人手指纹纹理进行规则简化与区域划分，首先设计了具有指纹状结构特征的多功能感知区域：中心区域为一个温度单元，外围区域分布四个压力单元。针对检测灵敏度低、干扰严重等问题，提出了具有图案化特征的嵌入式硬化层，其中方形硬化层包裹温度单元，外围硬化梁分别错落分布在压力单元上、下，当电子皮肤受到外界压力作用时，温度单元在硬化层包裹保护作用下不易发生形变，而压力单元则在硬化梁的作用下产生明显的拉伸形变。通过该嵌入式硬化层结构，实现了压力灵敏度的提升，同时降低了压力对温度单元带来的影响。

图1. 全柔性指纹状电子皮肤结构示意图

2、性能可调控的高柔性石墨烯/银纳米复合材料制备及表征

为实现电子皮肤的全柔性结构特点并满足温度与压力检测需求，采用搅拌共混方法将石墨烯、银纳米片与柔性硅橡胶进行均匀混合，并利用丝网印刷技术对电子皮肤进行分层制造。本文分别探究了石墨烯与银纳米片对复合材料力电学特性的影响规律，通过调控纳米导电颗粒在硅橡胶基体中的配比，拉伸率可达到400%、导电率达4137S/cm，并获得高达1.2 × 108的超高应变系数。

图2. 高柔性石墨烯/银纳米复合材料性能3、全柔性指纹状电子皮肤多功能检测性能测试对研制的电子皮肤分别进行了压力和温度感知性能的标定测试。结果表明：压力感知的灵敏度在0.5 ~ 80 kPa时为0.61 kPa−1，80 ~ 120 kPa时为5.53 kPa−1；温度感知灵敏度在25 ~ 60 ℃时可达0.42%℃−1。通过对电子皮肤进行温度和压力的复合加载测试，验证了提出的嵌入式硬化层结构对降低多功能单元间串扰的有效性。