漁網(wǎng)是如何從水產(chǎn)業(yè)跨界到可穿戴人機(jī)交互領(lǐng)域的？玄機(jī)就在漁網(wǎng)出水那一瞬間。
受這一瞬間啟發(fā)，中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員李潤(rùn)偉團(tuán)隊(duì)聯(lián)合寧波諾丁漢大學(xué)教授朱光團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出具有柔性自適應(yīng)導(dǎo)電界面的超穩(wěn)定、可拉伸電極。該電極經(jīng)過(guò)33萬(wàn)次100%拉伸應(yīng)變循環(huán)，電阻僅變化5%，面對(duì)冷熱、酸堿、浸水等環(huán)境變化，依舊表現(xiàn)出穩(wěn)定的電性能，解決了柔性電極導(dǎo)電率和拉伸率不可兼容、循環(huán)變形下電性能不穩(wěn)定的問題。
該電極可以應(yīng)用在全天候心電監(jiān)測(cè)、智能人機(jī)交互系統(tǒng)及人體熱療等方面，有望助力基于萬(wàn)物互聯(lián)的可穿戴健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)及電子皮膚人機(jī)交互界面的持續(xù)發(fā)展。
近日，相關(guān)論文作為《信息材料》封面文章刊發(fā)。
“水膜—漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)性能最佳
在智能可穿戴電子領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定耐用的柔性可拉伸導(dǎo)體仍是巨大挑戰(zhàn)。尤其針對(duì)人體表皮生理信號(hào)，穩(wěn)定的可拉伸電極可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間精準(zhǔn)的收集。
目前，柔性電極主要分為表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)型、導(dǎo)電材料復(fù)合型和本真可拉伸型，但這三大類型均難以實(shí)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)變形下穩(wěn)定的電性能。
論文第一作者、兩個(gè)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合培養(yǎng)博士曹晉瑋告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，為了攻克挑戰(zhàn)，他們最初考慮過(guò)模擬窗紗結(jié)構(gòu)，但窗紗柔性不足。在后續(xù)觀察和尋找中，他們發(fā)現(xiàn)人工漁網(wǎng)是最佳模擬對(duì)象——漁夫拉網(wǎng)出水時(shí)，網(wǎng)上會(huì)附有一層水膜，這個(gè)“水膜—漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)能夠很好地適形，可以跟隨基體變動(dòng)卻又不失去自身連續(xù)的形貌。
這正是穩(wěn)定可拉伸電極所需要的特性。
該團(tuán)隊(duì)提出，利用聚氨酯(tpu)靜電紡絲與液態(tài)金屬(lm)微納顆粒，經(jīng)靜電紡絲和靜電噴涂進(jìn)行原位復(fù)合，隨后進(jìn)行機(jī)械激活，形成液態(tài)金屬tpu二維仿“水膜—漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)薄膜，可制備出具有柔性自適應(yīng)導(dǎo)電界面的超穩(wěn)定可拉伸電極(nhse)。
實(shí)現(xiàn)低電阻、高穩(wěn)定、可拉伸
據(jù)研究人員介紹，該電極實(shí)現(xiàn)了52mω/sq的極低初始方阻，應(yīng)變下通過(guò)tpu網(wǎng)孔束縛液態(tài)金屬的對(duì)外擴(kuò)展和在網(wǎng)孔內(nèi)的自適應(yīng)流動(dòng)，解決了可拉伸電極曾面臨的導(dǎo)電率和拉伸率不可兼容、循環(huán)變形下電性能不穩(wěn)定的問題，具備優(yōu)越的動(dòng)態(tài)循環(huán)穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)33萬(wàn)次100%拉伸應(yīng)變循環(huán)，電阻僅變化5%。
“你可以理解為，我們用液態(tài)金屬替代水，用tpu靜電紡絲替代漁網(wǎng)線，制出的tpu液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料不僅薄，而且具有出色的柔性、拉伸性，以及處于行業(yè)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)的耐久性。”曹晉瑋介紹，面對(duì)冷熱、酸堿、浸水等服役環(huán)境的變化，該電極依舊表現(xiàn)出穩(wěn)定的電性能。
適用于多類場(chǎng)景
論文中介紹列舉了數(shù)種應(yīng)用途徑，例如，通過(guò)局部激活和激光切割，可以將tpu液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料制備成多層、多功能人機(jī)交互系統(tǒng)。
上層電容傳感陣列連接在集成電路和藍(lán)牙模塊上，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)傳輸，在拉伸和彎曲狀態(tài)下均可以對(duì)計(jì)算機(jī)輸入無(wú)線指令，可應(yīng)用在智能可穿戴游戲控制等方面。下層蛇形加熱器展現(xiàn)出良好的電熱穩(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)45℃~90℃穩(wěn)定加熱，并展現(xiàn)出優(yōu)異的加熱循環(huán)性能，可用于人體加熱治療。
該電極良好的生物相容性和極低毒性，還可以實(shí)現(xiàn)人體表皮全天候心電信號(hào)檢測(cè)。研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)人的活動(dòng)場(chǎng)景，為電極設(shè)計(jì)了靜態(tài)、運(yùn)動(dòng)、水沖等3個(gè)工作場(chǎng)景，極低的初始電阻使該電極收集心電信號(hào)的信噪比達(dá)到0.43，尤其在水沖場(chǎng)景中依然能夠收集到穩(wěn)定、清晰的心電信號(hào)。
《信息材料》審稿人認(rèn)為，對(duì)于可穿戴電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，電性能的穩(wěn)定性、耐久性至關(guān)重要，而論文作者通過(guò)精心設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了超穩(wěn)定可拉伸電極的制備，在動(dòng)態(tài)拉伸、浸水、酸堿、冷熱等服役環(huán)境變化中，均證明了nhse具有良好的應(yīng)用前景。
原標(biāo)題：巧用“漁網(wǎng)”制備新型柔性電極