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王中林院士团队Science子刊:透气、生物降解、抗菌电子皮肤

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  • 来源:
  • 发布时间:2020-07-21 18:17
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王中林院士团队Science子刊:透气、生物降解、抗菌电子皮肤

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导读:本文研制了一种具有高灵敏度、透气性、生物降解性和抗菌活性等特殊功能的电子皮肤,用于检测全身的生理特征和运动状态。这种具有优异性能的仿生电子皮肤有巨大的应用潜力。

作为人体最大的身体器官,皮肤不仅具有保护、分泌和呼吸的基本功能,也是一个重要的人类躯体感知系统,与我们的现实世界互动和沟通。通过模仿自然皮肤特性和功能刺激科学家们开发仿生电子皮肤,应用在可穿戴健康监测,智能假肢和机器人技术。根据不同的物理传感机制,如压电电阻率、电容、压电、摩擦电,电子皮肤能够检测和量化环境刺激的多样性,包括温度、湿度、压力、振动、和触觉技术,通过将它们转换为实时和可视化电子脉冲。尤其值得一提的是,摩擦纳米发电机(TENG)是一种新开发的能量收集技术,它可以根据接触起电和静电感应的耦合效应,将普遍存在的机械能转化为珍贵的电能。TENG具有成本低、结构简单、易于获取、材料选择多样、转换效率高等优点,在可穿戴电源和自供电传感领域具有广泛的应用潜力。

通常情况下,仿生电子皮肤的舒适性,安全性和健康性容易被忽略,这在很大程度上阻碍了它们的实际应用进程。具有舒适性和实用性的电子皮肤必须具有透气性、生物降解性和抗菌性能。大多数材料在使用寿命结束时可能会变成电子垃圾,会威胁人体健康或污染环境。无毒可生物降解电子产品可以在规定的时间范围内完全降解为无害成分且无任何不利的副作用,这将大大减少电子废物的产生以及对环境的破坏。因此,未来电子皮肤的性能优化和实际应用应充分考虑透气性、生物降解性和抗菌性能,但这一直困扰着科学家们。

为了解决这个难题,近日,中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队报道了基于摩擦纳米发电机的全纳米纤维的透气、可生物降解和抗菌的电子皮肤,其制造方法是将银纳米线(Ag NW)夹在聚乳酸-乙醇酸(PLGA)和聚乙烯醇(PVA)之间。具有微米级至纳米级的分层多孔结构,电子皮肤具有高比表面积的接触带电和大量的毛细通道用于热湿传递。通过调节Ag NW的浓度以及PVA和PLGA,可以分别调节电子皮肤的抗菌和生物降解能力。这种电子皮肤可以实现实时和自供电监测全身生理信号和关节运动。这项工作提供了实用性极强的多功能电子皮肤策略!这项研究工作以“A breathable, biodegradable, antibacterial, and self-powered electronic skin based on all-nanofiber triboelectric nanogenerators”为题发表在国际顶级期刊《Science Advances》上。

论文链接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/26/eaba9624

 
 
 
 

图1. 基于摩擦纳米发电机的全纳米纤维电子皮肤的设计制备和相关组分表征

 
 

图2.该电子皮肤拉伸性能、透气性能和电输出性能表征

 

图3. 该电子皮肤抗菌性能和生物降解过程

 
 
 

图4监测全身生理信号和关节运动

综上所述,本文研制了一种具有高灵敏度、透气性、生物降解性和抗菌活性等特殊功能的全纳米纤维摩擦纳米发动机基电子皮肤,用于检测全身的生理特征和运动状态。夹层Ag NW电极位于PLGA摩擦电层顶部和PVA衬底底部之间,有利于三维多孔分层结构的形成,不仅提供了高比表面积用于接触带电和压力反应,也保证了热湿平衡和穿着舒适的皮肤表面微环境,这种具有优异性能的仿生电子皮肤有巨大的应用潜力。

来源:材料科学与工程

 

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