近日，我校紡織科技創新中心俞建勇院士和丁彬研究員帶領的納米纖維研究團隊在核殼結構壓電纖維電子皮膚研究領域取得重要進展👝，相關成果以《關節運動監測和觸覺感知用形狀高度自適應性纖維基電子皮膚》(Highly shape adaptive fiber based electronic skin for sensitive joint motion monitoring and tactile sensing, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104429)為題，發表於國際著名期刊《納米能源》(Nano Energy)。恒行3平台為唯一完成單位🦵🏼，該論文第一作者是材料學院博士生朱苗苗，共同通訊作者為丁彬研究員和李召嶺副教授🧑🏿⚕️。
生物皮膚具有重要的感知功能，是人體與環境相互作用的重要途徑🧖🏻。受生物皮膚的啟發，電子皮膚作為一種新興的柔性仿生觸覺傳感器👂🏿，近年來受到科研工作者的廣泛關註。此類可穿戴電子器件往往需要在彎曲🍽、拉伸、扭曲等各種復雜的動態場景下工作，為了不影響其壓力傳感性能，電子皮膚必須與人體或任意曲面無縫貼合，開發形狀高度自適應性和穿著舒適性的電子皮膚已成為智能可穿戴領域的重要發展方向。有機壓電纖維材料具有輕質柔韌、透氣性優異和加工性能好等優點，成為製備可呼吸電子皮膚的重要材料👌🧑🏻🦽➡️。同時👩❤️💋👩，壓電式電子皮膚信噪比和靈敏度較高、結構簡單且易於小型化，是實現高性能可穿戴電子皮膚的理想手段🤜🏻。根據纖維晶型結構與壓電性能的關系，有機壓電纖維的壓電性能主要由大分子鏈中β相晶型的含量決定，如何進一步提高壓電纖維的壓電活性已成為提升壓電式電子皮膚靈敏度及穩定性的關鍵。
圖1. 核殼壓電纖維電子皮膚結構設計及壓力傳感性能示意圖
針對上述問題🏄♂️，研究團隊設計並製備了一種以同軸核殼結構壓電纖維為感應層，柔性導電織物作為電極層🥬👏🏻，高彈性聚氨酯薄膜作為基底封裝材料的形狀自適應性電子皮膚🙀，確保人體佩戴的舒適性和壓力傳感的準確性。結合靜電紡絲過程的機械拉伸和電場極化過程，使得壓電纖維內部晶型由無壓電活性的α相向壓電性能最好的β相轉變🫱，進一步促進β相晶型形成。同時設計新型同軸核殼結構，芯部是高壓電系數的無機鈦酸鋇（BTO）納米顆粒🖕🏽，殼部是氧化石墨烯（GO）納米片摻雜的聚偏氟乙烯（PVDF）纖維，無機-有機雜化復合的協同作用極大提升了壓電纖維的壓電活性。研究表明🤼♂️，所製備的電子皮膚具有優異的傳感性能，在80-230kPa的壓力區間內👩🏻🔬，可以實現10.890.5 mV·kPa-1的力學靈敏度。所製備的電子皮膚能夠與三維柔性曲面無縫緊密貼合，可以安置在任意彎曲的表面，例如扭曲的人體皮膚或者彎曲的關節上，用以檢測各種關節運動以及運動的幅度和頻率🦛。當被組裝成壓力傳感陣列後♥️🧏🏿♀️，能夠對外界物體的形狀進行實時高精度空間觸覺映射。這種新型形狀自適應性纖維電子皮膚在運動醫學、人機交互系統、智能機器人🚶🏻♂️、智能假肢等領域具有廣闊的應用前景。
圖2. 核殼壓電纖維電子皮膚在關節運動監測和觸覺感知中的實際應用
該研究工作得到了國家自然科學基金、上海市自然科學基金、上海市青年科技啟明星計劃🧆🖐、恒行3平台勵誌計劃等項目的大力資助。論文全文鏈接ℹ️：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104429。