电子皮肤设计对高灵敏度和宽线性范围的追求是永恒的；不幸的是，这两个关键参数通常是相互排斥的。尽管通过材料特定或复杂的结构设计在获得高灵敏度和宽线性范围方面取得的成功有限，但解决这些参数之间的冲突仍然是一个关键挑战。
最近，受人体体感系统的启发，科研人员提出了基于还原氧化石墨烯/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）气凝胶的毛发-表皮-真皮分层结构，以调和高灵敏度和宽线性之间的矛盾。这种分层结构使电子皮肤 (e-skin) 传感器的线性感应范围达到 30 kPa，而不会牺牲高灵敏度 (137.7 kPa-1)，揭示了克服上述冲突的有效策略。此外，电子皮肤传感器还表现出低检测限（1.1 Pa）、快速响应（~80 ms）以及出色的稳定性和重现性（超过 10 000 次循环）；因此，e-skin 平台能够检测小气流并监测人体脉搏甚至声音引起的振动。这种结构可能会促进对新兴柔性电子产品的结构设计和性能调节的持续研究。
图 1. (a) 人体皮肤和毛发-表皮-真皮气凝胶电极的示意图。(b) 气凝胶电极的仿生毛发、表皮和真皮的相应形态。(c) 传统和我们目前的电子皮肤传感器之间的灵敏度和线性范围的比较。(d) 基于 rGO/PEDOT:PSS 气凝胶的电子皮肤传感器的制造过程。
图 2. (a) 原位化学还原和离子诱导界面凝胶化过程的示意图。(b) rGO/PEDOT:PSS 气凝胶电极的横截面 SEM 图像和相应的氧 (O)、锌 (Zn)、碳 (C) 和硫 (S) 的 EDX 映射图像。(c) rGO/PEDOT:PSS 气凝胶膜的表面形态。(d) 纯 rGO、PEDOT:PSS 和 rGO/PEDOT:PSS 气凝胶的拉曼光谱。(e) PEDOT:PSS、rGO 和 rGO/PEDOT:PSS 气凝胶的 XPS 概览光谱。(f) rGO/PEDOT:PSS 气凝胶的解卷积 Zn 2p 峰。
图 7. 5 像素 × 5 像素电子皮肤传感器阵列的示意图和照片。(b) 瓶子、(c) 胶带环和 (d) 电子皮肤传感器阵列上的离心管的照片以及相应的压力分布。
相关论文以题为Skin-Inspired Hair–Epidermis–Dermis Hierarchical Structures for Electronic Skin Sensors with High Sensitivity over a Wide Linear Range发表在《ACS Nano》上。通讯作者是中国科学院长春应用化学研究所王振新研究员、广州大学牛利教授。
