柔性觸覺傳感器不僅在諸如電子皮膚、可穿戴器件、仿生機器人和假肢、生物電子學介面等新興領域具有巨大的應用價值，而且相關研究涉及電子和離子相互作用，電子器件和生物組織相互作用等的內在機制的深入揭示，並能夠模擬、兼容生物組織內的重要活動，因此具有重要的研究意義和應用價值。
目前絕大多數的高性能柔性觸覺傳感器都依賴於電子行為，主要機理有壓阻式、電容式、壓電式和摩擦電式。近日，清華大學劉鍇副教授課題組和西安交通大學張磊教授課題組基於對液體環境中生物複雜生化反應的傳感過程的模仿，製備出負載銀納米顆粒的丙烯酸水凝膠，開發了一種具有非對稱表面結構、基於化學反應和離子電流傳導機理從而增強器件靈敏度的柔性觸覺傳感器（簡稱AISH—Asymmetric Ionic Sensing Hydrogel）。這種柔性觸覺傳感器在多項重要性能評價指標上表現優異，比如具有超高靈敏度（171kPa-1）和超低檢測限（0.075 Pa），以及長使用壽命（循環1500次以上）等，實現了該類基於化學反應和離子傳導新機理的高性能器件的成功製備，並證明了其在生物電子學相關領域的實際應用價值。
圖1. AISH柔性觸覺傳感器示意圖及對凝膠的表征。
圖2. AISH柔性觸覺傳感器的性能和其它主要柔性器件性能對比。
該研究利用紫外光一步合成具有非對稱表面、負載有銀納米顆粒的丙烯酸水凝膠複合物，在優化的試劑配比下獲得了高壓敏響應的凝膠器件。這類器件自身具有較大的電勢差，可用來對初始電流進行調控；在受到壓力作用時，凝膠表面的銅箔和凝膠內的銀離子可發生強烈的化學置換反應，從而增強離子傳導電流，使器件具有高度的靈敏性。該實驗工作中利用了常見的化學置換反應，證明了這種新機理的普適性。在應用展示部分，這種凝膠器件可以檢測壓強低至0.075Pa的碳納米管薄膜，可精準地記錄脈搏信號和聲壓信號，檢測水面的波動等。
圖3. AISH柔性觸覺傳感器的應用展示。
相關結果發表於國際著名學術刊物《Advanced Functional Materials》雜誌上，劉鍇副教授和張磊教授為共同通訊作者，第一作者為在清華大學聯合培養的西安交通大學博士生丁翰元。研究工作得到了國家自然科學基金、教育部霍英東基金等項目的資助。
論文連結：
https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201909616
來源：高分子科學前沿
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