北理工在基于二維材料的多模態人造電子皮膚領域取得重要進展
發布日期：2021-07-14 供稿：智能機器人與系統高精尖創新中心
編輯：程康 審核：杜寧 閱讀次數：日前，北京理工大學智能機器人研究所趙靜特別研究員與中科院物理所張廣宇研究員、北京納米能源與系統研究所王中林院士團隊合作，設計了一種基于全二維材料的多模態人造電子皮膚，實現了對外界應變、濕度等信號的無互擾、高靈敏度實時監測，并成功應用于對人體呼吸信號的監測系統。特別是提出了一種通過非接觸模式可對接近物體位置信號進行提前預警，有效避免了接觸模式下多人使用設備時帶來的交叉感染風險。該成果為基于二維材料的傳感器件未來進一步應用于人工假肢、柔性智能穿戴等領域提供了新的思路。此項工作于7月10日在線發表于國際頂級期刊《先進功能材料》上。
圖1. 多模態人造電子皮膚結構示意圖
近年來，人造電子皮膚的飛速發展已經取得一定的成果，但是電子皮膚要想模擬、還原甚至取代機體皮膚，除了能靈敏感知外界應力變化外，對具有集濕度、壓力等信號響應于一體的多功能集成化器件陣列的需求越來越受到人們的重視。傳統的人造電子皮膚工作模式大都是基于接觸傳感實現的，即外界刺激物與傳感器件相互接觸后通過電學信號的變化判斷出力學刺激的大小，這種工作模式不可避免地會使工作過程多人操作同一設備時具有交叉感染的風險，特別是在大流行病器件，無接觸操作模式能夠將風險降到最低?？紤]到二維材料的尺寸優勢及柔性易貼附與不同襯底的特征，基于晶圓尺寸生長的石墨烯、二硫化鉬薄膜，發展了一種多模態響應的人造電子皮膚，這種人造電子皮膚不僅具有類似皮膚的多功能傳感功能，其高靈敏度、快速響應時間、多工作模式等性能遠超人類皮膚。利用石墨烯與二硫化鉬器件只分別對應變和濕度信號有響應的特點加工得到集成的傳感陣列，可同時實現接觸、非接觸模式下對外界刺激的識別，特別是利用濕度信號的變化實現無接觸模式下信號的讀取，改善了傳統電子皮膚只通過接觸模式進行信號讀取易引發交叉感染的弊端。通過對器件陣列的電路設計，有效解決柔性襯底上多個器件互聯互擾的問題，實現多路復用?；诖思庸さ玫降娜嗽祀娮悠つw置于口罩內，可以對呼吸信號（包括呼吸頻率、強度、濕度等）進行實時監測，且通過設置警報線可以對被監測者健康狀況進行報警。這種多模態的人造電子皮膚可以廣泛應用與智能假肢、健康監測等領域，且為人機交互提供了一種新的工作模式。未來結合無線信號傳輸系統，可實現對病人健康信號的實時監測，為遠程醫療的發展提供了新的機遇。
圖2. 人造電子皮膚對呼吸信號的監測及利用無接觸定位系統對人手移動位置進行實時監測。
趙靜特別研究員為該工作的第一作者、通訊作者，王中林院士為共同通訊作者，北京理工大學為第一單位。該工作得到科技部重點研發計劃“智能機器人”專項、國家自然科學基金以及北京理工大學青年教師學術啟動計劃的支持。
文章信息：
Jing Zhao*, Zheng Wei, Zhongyi Li, Jinran Yu, Jian Tang, Guangyu Zhang, Zhonglin Wang*, Skin-inspired High-Performance Active-matrix Circuitry for Multimodal User-interaction, Advanced Functional Materials,
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202105480
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