基于MXene的高性能柔性触觉传感器

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皮肤作为人体最大的器官,最重要的功能便是其触觉感知能力,这是人类感知外界环境中压力、温度、湿度以及物体的形状等物理化学信息的最重要的途径。受到皮肤的启发,仿生电子皮肤被研究人员开发出来应用到人机交互、可穿戴医疗设备和智能机器人等领域中,而仿生电子皮肤中最重要的部分就是可以模仿人体触觉功能的触觉传感器。因此,对触觉传感器的研究就显得至关重要。目前,基于不同材料,不同器件结构和传感机理的触觉传感器被研制出来,这些触觉传感器有的具有较高的灵敏度,有的响应时间短,还有些柔韧性和可拉伸性良好,但是仅仅具有一两种优点并不能满足实际应用的需求。因此,开发一种低成本,生物相容性好,制备工艺简单,综合性能良好的触觉传感器具有十分重要的意义。本文结合了国内外学者的研究成果,提出了一种基于Ti3C2 MXene薄膜的触觉传感器,该薄膜具有层状手风琴状结构,通过压阻性测试证明了该薄膜具有较好的压阻特性。本文在此实验的基础上,针对当前传感器研发中存在的问题,提出了两种基于Ti3C2 MXene材料的柔性触觉传感器,分别从制作工艺、性能测试等方面展开研究。针对目前触觉传感器综合性能较差的问题,本工作通过模仿人体皮肤结构设计了一种具有联锁结构的Ti3C2 MXene/天然微胶囊复合薄膜,并制作了高性能柔性触觉传感器,该传感器灵敏度相比Ti3C2 MXene薄膜的触觉传感器提高了9.4倍,并拥有仅为8 Pa的检测下限和高达5000次的循环稳定性。另外,该柔性传感器还可用于关节活动,语音识别,脉搏的检测。而为了解决柔性触觉传感器功能单一的问题,我们在Ti3C2 MXene材料中引入了具有亲水性的壳聚糖材料,成功制作了Ti3C2 MXene/壳聚糖复合生物膜多功能触觉传感器。它不仅对压力的响应很好,有一个较大的监测范围,而且对湿度也比较敏感,在室温下能精确的区分不同的相对湿度条件,在干燥条件下放置20天后依然可以得到准确的测试结果。最后我们将器件贴附在身体上,展示了器件对声音、呼吸等信号的检测。
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