西南交通大学杨维清/邓维礼AFM: 具有二级增强的仿生间歇式MXene压阻传感器

随着机器人技术和物联网的快速发展，柔性电子设备，如超级电容器、能量采集器、显示器、压力传感器，受到了广泛的关注。压力传感器因其在微小压力检测、医疗监护、运动检测等领域的巨大潜力而受到了广泛关注。然而，压力传感器在实现商业化和大规模生产时仍面临着诸多技术挑战。目前，通过引入微结构以提高传感器性能是一种普遍的做法。尽管均匀的微结构可以提高压阻层的可压缩性并从而提高器件的灵敏度，但它们具有有限的变形范围，因此在复杂或高压环境中的应用受到了限制。同时，这种均匀的微结构的制备方法，如光刻等，往往复杂，不利于大规模生产。此外，不规则微结构，例如砂纸模板等，已被证明可以有效提高可压缩性，从而提高灵敏度，并扩大监测范围。然而，这种微结构的随机分布和不可预测性使得它们难以适应商业生产和调整器件性能的需求。因此开发出更为简单、可靠、易于生产的方法，提高压力传感器的性能和适用性是当前技术领域的紧迫需求，从而推动其商业化和大规模生产。

成果简介

受人体绒毛启发，近日，西南交通大学杨维清/邓维礼等报道了一种具有间歇架构的压力传感器，可以有效地提高灵敏度，同时扩大响应范围。得益于这种间断结构的两级放大效应，所开发的MXene压阻生物电子器件具有461 kPa-1的高灵敏度和高达311 kPa的宽压力检测范围，分别是均匀微结构的20倍和5倍。与深度学习算法配合，所设计的生物电子器件可以有效捕捉复杂的人体运动，并精确识别人体运动，识别准确率高达99%。相关工作以“Bioinspired MXene-based Piezoresistive Sensor with Two-stage Enhancement for Motion Capture“为题发表在《Advanced Functional Materials》。

文章亮点：

1. 两级放大仿生间歇结构的设计与制造

不同高度汗毛在表皮上的分布对增强传入刺激的压力感知起着关键作用。最初，较高的汗毛首先感知压力，从而使触觉小体迅速获得外部刺激信息。随着压力的增加，长绒毛和短绒毛一起工作，帮助扩大局部压力。当压力进一步增加时，表皮和汗毛同时作用来感知压力。受其启发，提出了一种喷有MXene纳米片的仿生间歇结构来模拟人体皮肤。这种仿生间歇结构可以利用激光大规模快速制造，具有规律性和均匀性。该结构通过模拟人体皮肤中不同高度汗毛的分布，实现对外界刺激的压力感知。初始阶段，仿生间歇结构相对较高的部分对外界刺激敏感，而后续阶段，下部的仿生间歇结构与上部协同工作，从而实现两级放大，有效提高传感器的灵敏度和检测范围。

2. 仿生间歇结构与电学性能

MXene因其优异的电学性能和特殊的结构而成为一种很有前途的压阻传感器候选材料。在此，对仿生间歇结构膜进行氧等离子体处理以增强其亲水性。然后在其表面喷涂得到均匀的MXene涂层，这对于BIS-MX薄膜的电学性能的调节至关重要。此外，我们通过原位实验和模拟仿生间歇结构膜在压缩过程中的动态行为。压缩过程分为是无接触、单接触(过渡)和协同接触。相应的仿真结果也表明，这种断续结构有利于压缩过程中的应力传递，我们进一步验证了不同微结构（微柱，微球，微锥等）的接触面积变化速率∆S/S0。与其他均匀的微结构相比，仿生间歇结构都表现出更敏感的随压力增加的阶梯形增长，随着断续结构高度的变化，接触面积的交替变化明显，表现出明显的接力效应。

所开发的MXene压阻生物电子器件具有461 kPa-1的高灵敏度和高达311 kPa的宽压力检测范围，分别是均匀微结构的20倍和5倍。通过与基于MXene的或传统的微结构的压力传感器的灵敏度和检测范围的进行比较，再次证实仿生间歇结构传感器的优越性。综上所述，两级放大策略可能为获得高性能压阻器件提供了一条普遍适用的途径。

3.传感器的应用

得益于该器件具有高灵敏度和宽范围，这种灵活的传感器被用在人体动作捕捉上，而目前大多数基于视觉的解决方案存在遮挡或记录范围有限的问题，因此使用可穿戴传感器的动作捕捉是不受环境影响和遮挡影响的。我们使用1D-CNN算法实时识别人体的运动模式，提出的模型识别精度达到99.2%。通过可视化，证明了CNN算法学习样本特征的能力，识别和分类能力较好。我们提出了一个深度学习辅助系统，使用仿生间歇结构传感器，可以很好地表示人体的各种运动。所有这些结果都证实了我们的设计，包括易于批量制造的仿生间歇微结构和压阻性能的两级增强，为下一代可穿戴生物电子产品提供了出色的解决方案。

作者简介：

邓维礼，副教授/硕导，四川省海外高层次留学人才。主要以力-电耦合效应为基础，围绕材料合成、物性研究、器件研制和应用开发，构建基于电信号传导的功能器件，研究纳米材料层次结构对器件宏观性能的作用机制，探索柔性传感器件在可穿戴人机交互系统领域的应用。近年来，在 Chem. Soc. Rev.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Lett.、Nano Energy 等国际知名期刊发表学术论文 40 余篇，被引5000余次

杨维清，教授/博导，四川省第十二届和第十三届政协委员，四川省杰出青年，西南交通大学前沿科学研究院院长，主要从事纳米能源材料与功能器件的应用基础研究。近年来，在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater，ACS Nano，Nano Lett，Adv. Funct. Mater.，等国际著名刊物上发表SCI收录论文共计200余篇，其中影响因子IF>10论文70余篇，ESI高被引论文20篇，引用1.2万余次, 多次入选Stanford-Elsevier全球全领域Top科学家。主持军委科技重点项目、国家自然基金、四川省杰出青年基金项目等多项省部级项目，担任科技部重大研发计划项目会评专家和国家科技奖评审专家。已授权专利25项,已转化20项，转化经费3000余万。所做的工作被美国知名网站美国国家自然基金委（NSF)、Newscientist等近20家媒体专题报道，受到法国路透社，中国科学网、中国储能网、中国网、新华网、人民网、凤凰网等多家国内外媒体关注。

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原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202214503

来源：高分子科学前沿

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