蘇州納米所張珽團(tuán)隊(duì)AM研究進(jìn)展:具有Janus結(jié)構(gòu)的高機(jī)械強(qiáng)度、高選擇性柔性力學(xué)傳感器
兼具優(yōu)異機(jī)械性能與高選擇性響應(yīng)能力,是促進(jìn)柔性力學(xué)傳感器件走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵難點(diǎn)之一。現(xiàn)有柔性傳感器件主要是以敏感材料均質(zhì)薄膜來(lái)構(gòu)建,其組成單元各向同性的微觀(guān)結(jié)構(gòu),使其在受彎曲、壓縮或拉伸等不同類(lèi)型力時(shí)具有相似的響應(yīng)模式,造成器件輸出感知信號(hào)相近并容易產(chǎn)生相互干擾等問(wèn)題,同時(shí)優(yōu)異機(jī)械性能及自修復(fù)等特性對(duì)柔性器件在復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用穩(wěn)定性具有重要意義。
圖1.具有Janus結(jié)構(gòu)PU-TA@MXene敏感薄膜梯度結(jié)構(gòu)及制備流程示意圖
近期,中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張珽研究員團(tuán)隊(duì)提出以人體皮膚梯度結(jié)構(gòu)為仿生原型,利用單寧酸(TA)修飾后MXene(Ti3C2Tx)二維片層在水性聚氨酯(PU)中自由沉降相分離過(guò)程,制備了具有PU層內(nèi)Ti3C2Tx相梯度分布仿生“非對(duì)稱(chēng)(Janus)”結(jié)構(gòu)復(fù)合敏感薄膜材料(圖1,PU-TA@MXene)。一方面,末端帶有豐富羥基官能團(tuán)TA分子于MXene與PU基底之間形成大量氫鍵/共價(jià)鍵僑聯(lián),利用這些鍵合作用在受力過(guò)程中斷裂和重組性質(zhì),賦予了敏感薄膜優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和自修復(fù)性能(斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)2056.67%、拉伸強(qiáng)度達(dá)50.78 MPa、自修復(fù)后機(jī)械強(qiáng)度保持率為86%),使敏感材料在復(fù)雜環(huán)境長(zhǎng)期使用時(shí)信號(hào)輸出穩(wěn)定性得到提升。另一方面,仿生“非對(duì)稱(chēng)(Janus)”結(jié)構(gòu)賦予了柔性力學(xué)傳感器對(duì)內(nèi)/外異向彎曲、壓力和拉力具有多功能選擇性響應(yīng)能力(圖2),與機(jī)器學(xué)習(xí)算法技術(shù)相結(jié)合能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類(lèi)型力>96%識(shí)別效率。進(jìn)一步,將此高機(jī)械強(qiáng)度、選擇性響應(yīng)柔性力學(xué)傳感器件應(yīng)用于存在多狀態(tài)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換的人體運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)監(jiān)測(cè)方面,可實(shí)現(xiàn)對(duì)乒乓球、籃球、羽毛球等需要大量關(guān)節(jié)切換動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目實(shí)時(shí)監(jiān)控;同時(shí),該柔性力學(xué)傳感器異向彎曲選擇性響應(yīng)能力,也可應(yīng)用于蛇形智能裝備在救援廢墟等復(fù)雜環(huán)境中,通過(guò)實(shí)時(shí)識(shí)別自身運(yùn)動(dòng)方向和角度來(lái)探索和建立未知路徑軌跡(圖3)。
該工作以Multifunctional Flexible Sensor Based on PU-TA@MXene Janus Architecture for Selective Direction Recognition為題發(fā)表在Advanced Materials,文章第一作者是中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究生白菊和谷文,通訊作者是李鐵項(xiàng)目研究員和張珽研究員。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金(杰青/面上)、中科院青促會(huì)、江西省杰青、江蘇省面上基金等支持。
圖2.基于PU-TA@MXene敏感薄膜柔性傳感器感知機(jī)理及選擇性響應(yīng)性能圖
圖3.柔性傳感器在多狀態(tài)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)監(jiān)測(cè)和裝備未知路徑探測(cè)應(yīng)用性能圖
該工作是團(tuán)隊(duì)關(guān)于多功能柔性傳感器相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。另外,團(tuán)隊(duì)也制備了一系列性能優(yōu)異的多功能柔性傳感器件,主要包括發(fā)展了柔性器件仿手指表皮一體疊層界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)單一柔性觸覺(jué)傳感器件對(duì)靜態(tài)壓力、靜態(tài)摩擦力及動(dòng)態(tài)摩擦力選擇性響應(yīng)能力(Research, 2020, 2020, 8910692; Nanoscale, 2019, 11, 5737.),結(jié)合與神經(jīng)識(shí)別模式相匹配脈沖頻率電信號(hào)轉(zhuǎn)換與機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理技術(shù),賦予了仿生假肢手、仿真機(jī)器人等智能裝備對(duì)物體冷/熱、干/濕狀態(tài)(Acc. Chem. Res. 2019, 52, 288; Small, 2018, 14(36), 1703902; Adv. Sci. 2017, 4, 1600404.)及材質(zhì)與種類(lèi)(InfoMat, 2023, INFOMAT-2023-0042, Accepted; npj Flexible Electronics, 2022, 6, 46; 中國(guó)科學(xué): 技術(shù)科學(xué), 2022, 62.)等類(lèi)人手精細(xì)感知能力(圖4)。
圖4.仿手指皮膚一體化疊層界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)柔性觸覺(jué)傳感器及其應(yīng)用
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