近年来，作为人工智能（AI）、软体机器人、健康监测等媒介的智能皮肤备受关注。智能皮肤被认为是超敏感自供电的并且希望赋予皮肤视觉上感知刺激的能力。虽然已经开发了几种基于 Ti3C2Tx（MXene） -应变/压力传感器的智能皮肤，但这些传感能力与设备中MXene的氧化现象之间的差异极大地限制了这些智能皮肤的应用。机械发光 (ML) 能够在不同变形下改变颜色或亮度，通过机械信号的可视化，在精密紧急的医疗或安全相关行业具有巨大潜力。此外，摩擦纳米发电机（TENG）通过接触带电和静电感应将机械能转化为电能，已被证明在能量收集和自供电传感方面具有良好的应用前景。然而，制备一种内在集成上述特性的一体式智能皮肤仍然是一个巨大的挑战。
鉴于此，郑州大学申长雨院士、刘春太教授、代坤教授和中国科学院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员开发了一种超灵敏的自供电机械发光智能皮肤（SPMSS）。受益于基于Ti3C2Tx（MXene）/碳纳米管协同相互作用的独特应变相关微裂纹结构设计，SPMSS具有优异的应变传感性能，包括超低检测限（0.001%应变）、超高灵敏度（应变系数、GF=3.92×107)、超快响应时间（5ms）以及卓越的耐用性和稳定性（>45000次循环）。同时，SPMSS在拉伸下表现出可调且高度敏感的ML特征。重要的是，SPMSS作为摩擦纳米发电机（4×4cm2）表现出优异的性能，包括超高摩擦电输出（开路电压VOC=540V，短路电流ISC=42µA，短路电荷QSC=317nC）和功率密度（7.42W m-2），赋予智能皮肤可靠的电源供应和自供电感应能力。这种仿生智能皮肤在健康监测、视觉传感和自供电传感方面具有多功能应用。相关工作以“Bioinspired Multifunctional Photonic-Electronic Smart Skin for Ultrasensitive Health Monitoring, for Visual and Self-Powered Sensing”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。
材料结构设计和应变传感性能
作者选用聚氨酯 (TPU)为基材层，商用荧光剂（FA）为高效荧光材料。将不同质量比的FA与TPU混合，通过静电纺丝制备一系列荧光毡（TFM）。4% TFM具有优异的荧光性能和优异的拉伸性（792%应变）。分层的MXene纳米片呈现出超薄结构。为了增强电性能，选择稳定的CNT墨水与MXene组装，然后通过在4% TFM上喷涂1D CNT/2D MXene导电油墨来构建SPMSS（图1）。SPMSS的横截面表现出良好的夹心结构，预处理后获得像蜘蛛缝器官一样的多尺度锯齿状微裂纹。SPMSS基于应变依赖的微裂纹结构在拉伸下显示可调ML特性，并表现出轻量级特征和良好的柔韧性。通过检测相对电阻变化来表征不同MXene/CNT含量的SPMSS的机电性能（图2）。在1000 mm min-1的拉伸速度下实现了5 ms的快速响应/恢复时间。在5%的较大应变下经过45000次拉伸释放循环后表现出显着的长期耐久性和稳定性。
图1.材料结构设计
图2.SPMSS的应变传感性能和机理
SPMSS用于视觉传感的ML特性和能量收集的TENG特性
SPMSS表现出快速可逆的应变相关光学特性（图3）。由于MXene/CNT层良好的紫外线屏蔽能力，在初始状态下没有观察到可见荧光，SPMSS上黄色荧光的亮度随着应变的增加而逐渐增强。不同FA的SPMSS充分拉伸显示出不同的荧光颜色（红色、黄色、蓝色和绿色）。SPMSS的3D发射荧光光谱在1000次拉伸释放后具有几乎一致的特性。SPMSS在能量收集和自供电传感方面表现出优异的TENG特性（图4）。表现出超高摩擦电输出（开路电压VOC=540V，短路电流ISC=42µA，短路电荷QSC=317nC）和优异的功率密度（7.42W m-2）。这些结果表明SPMSS对不同的压力和频率表现出优异的响应行为，可应用于自供电触觉传感。
图3.用于视觉传感的SPMSS的可调谐ML光学特性
图4.用于能量收集的SPMSS的TENG性能
SPMSS在视觉传感、健康监测和自供电传感中的应用
为了同时实现SPMSS的应变传感和信号可视化，通过在志愿者的手指上集成SPMSS来演示实时监测（图5）。SPMSS的发光强度和ΔR/R0随着弯曲角度的增加同时增加显示了人工智能的巨大潜力。此外，将SPMSS固定在一名24岁健康男性志愿者的不同动脉脉搏位置上进行健康监测。结果显示SPMSS能够精确测量肱动脉和桡动脉的脉搏波形。在自供电传感应用中，SPMSS阵列的输出电压随着手指触摸压力和频率的增加而明显上升，表现出良好的触摸感。当手指放在自供电触觉传感阵列的不同接触位置时，可以采集相应传感单元的输出电压，精确揭示手指触摸轨迹。
图5.SPMSS在视觉传感、健康监测和自供电传感中的应用
小结：作者成功开发了一种超灵敏自供电ML智能皮肤。SPMSS具有超灵敏的传感性能极限、超高灵敏度和超快响应的特性。SPMSS还被设计为在表现出ML特性时高度敏感。这些卓越的能力赋予了SPMSS通过实时获取生理参数来精确监测健康状况的能力，并通过清晰可辨的发光信号视觉感知不同的手势。TENG特性可产生可靠的电源供应以可持续地驱动电子设备。SPMSS阵列很容易贴合人体皮肤，可用于收集生物力学能量、触觉感知和不同目标物体的空间映射。该研究为制造具有高性能应变传感、可调光学特性和可靠电源的多功能智能皮肤铺平了道路。
全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102332
来源：高分子科学前沿
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