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中国地质大学Heng Deng等--仿生坚固透气皮肤电子产品:装甲设计的纳米多孔闪存石墨烯组件增强机械弹性

  • 发布时间2024-05-21 16:16
  • 发布人欧洲杯竞猜官方网站
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软的皮肤电极在可穿戴技术中发挥着重要作用,需要诸如佩戴舒适性、高导电性和透气性等属性。然而,传统的制造方法通常会损害简单性、成本效益或机械弹性。在这项研究中,提出了一种机械坚固且透气的皮肤电极,该电极将闪存石墨烯(FG)与仿生装甲设计相结合。FG 通过闪速焦耳加热工艺合成,具有小尺寸和乱层排列,非常适合组装具有纳米孔结构的导电网络。采用丝网印刷将FG组件嵌入聚丙烯熔喷非织造布(PPMF)的框架中,形成具有低方块电阻(125.2±4.7Ω/□)和高透气性(≈10.08)的柔软皮肤电极毫克·厘米⁻2·小时⁻1)。“铠甲”框架通过附着力、耐洗性和 10,000 次机械接触摩擦测试,确保持久的机械稳定性。FG/PPMF 电极展示了心电图 (ECG) 和肌电图 (EMG) 监测功能,并可用作自供电摩擦电传感器,有望实现可扩展、高性能的灵活传感应用,从而丰富集成可穿戴技术的前景

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图1. FG/PPMF 电极的设计、结构和功能具有出色的机械强度和透气性。a)“装甲”策略是为FG/PPMF电极设计的,PPMF作为内部FG组件的保护层,形成多孔导电网络。它类似于小龙虾的外壳,保护着小龙虾的肌肉。FG 的乱层性质有助于形成这种多孔结构。FG 以墨水形式在 PPMF 内部原位组装,形成 FG/PPMF。b) FG/PPMF 受益于周围 PPMF 的保护,屏蔽导电功能材料免受直接外力的影响。它还具有优异的透气性和防水性。c) FG/PPMF 在人类监控和人机交互领域具有巨大潜力。

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图2. FG 的制备和表征。a) 使用CB作为原料,通过FJH工艺生产FG的示意图。b,c) 不同放大倍数下 FG 的 HR-TEM 图像。d,e) CB (d) 和 FG (e) 的 SEM 图像。f) XPS C 1 s 光谱,g) 拉曼光谱,h) CB 和 FG 的 XRD 图案。

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图3. 丝网印刷FG/PPMF电极的制备及球磨时间的优化。a) 通过丝网印刷制备 FG/PPMF 电极的程序。b)不同球磨时间下FG油墨的流动特性以及用这些FG油墨印刷的PPMF相应的表面微观形貌。c) 不同球磨时间对应的FG/PPMF电极的方块电阻。d) FG PPMF 电极的横截面 SEM 图像,显示 FG 组件深入渗透到 PPMF 农田的孔隙中。e) 丝网印刷柔性 FG/PPMF 电极的光学图像。f) 演示用于在机械折叠下点亮 LED 的丝网印刷 FG 蛇形电路。

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图4. FG/PPMF 电极的透气性和长期佩戴舒适度测试。a)FG/PPMF电极的透气机制示意图,这可归因于FG的乱层排列。b-c) FG/PPMF 电极中 FG 组件的 SEM 图像。d) 测量水蒸气渗透性的实验装置。e) 覆盖、未覆盖、PPMF 和 FG/PPMF 的水蒸气透过率与经过时间的函数关系。f) 照片显示了 FG/PPMF 的透气性。g) 显示覆盖有 Ag/AgCl 凝胶电极和 FG/PPMF 电极的志愿者前臂皮肤状况的光学图像。

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图5. FG/PPMF电极的机械稳定性和防水性能。a) FG/PPMF 电极在不同弯曲程度下的相对电阻变化。b) FG/PPMF 电极在 1000 次弯曲循环后的相对电阻变化。c) FG/PPMF 电极在 10000 次机械接触循环后的相对电阻变化。d) 描绘使用胶带对 FG/PPMF 电极进行粘附力测试程序的图像。e) 附着力测试前后FG/PPMF电极的薄层电阻。f) PPMF 和 FG/PPMF 电极的水接触角。g) FG/PPMF 电极自清洁能力的演示。h) 自清洁测试前后FG/PPMF电极的方块电阻。i) FG/PPMF 电极浸入水中后的相对电阻变化。插图显示了 FG/PPMF 电极浸入水中一周的照片。j) 模拟具有水流剪切的洗衣机环境的多次洗涤测试后FG/PPMF电极的相对电阻变化。

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图6. 使用 FG/PPMF 电极贴片进行 ECG 和 EMG 测量。 a) FG/PPMF电极贴片监测电生理信号时的示意图和等效电路模型。 b) FG/PPMF 电极贴片收集的生理电信号的处理示意图。 c) 使用不同状态的志愿者的FG/PPMF电极贴片进行心电图记录:直立、跑步、跑步时出汗。右子图显示标准特征峰。 d) 当志愿者分别举起重 2.5 kg、5 kg 和 10 kg 的哑铃时使用 FG/PPMF 电极贴片进行肌电图记录。 e) 使用 FG/PPMF 电极贴片收集的 EMG 信号实时控制机械臂。 f) 通过肌电信号调制无人机的运动状态。

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图7. FG/PPMF 电极作为摩擦纳米发电机 (TENG) 传感器的演示。 a) 双电极模式下的 FG/PPMF TENG 示意图。 b,c) 双电极模式下FG/PPMF TENG在不同压力条件下的开路电压和短路电流(b)以及转移电荷量(c)。 d) 光学图像显示双电极模式 FG/PPMF TENG 收集的能量,能够照亮多达 150 个 LED。 e) 将 FG/PPMF TENG 集成到手套中,轻敲 PET 以用莫尔斯电码传达“CUG”消息。 f) 将 FG/PPMF TENG 集成到袜子中以监测不同的步行条件。

  相关科研成果由中国地质大学Heng Deng等人于2024年发表在Advanced Science(https://doi.org/10.1002/advs.202402759)上。原文:Bioinspired Robust Gas-Permeable On-Skin Electronics: Armor-Designed Nanoporous Flash Graphene Assembly Enhancing Mechanical Resilience

来源:石墨烯研究


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