01. 研究背景

皮肤作为人体与外界交互的媒介，具有多种感知功能，可以感知拉伸、压力、温度和湿度等环境信号。随着柔性电子学的发展，大多数单一功能柔性传感器已经不能提供全面的信息来模拟人体皮肤功能。目前研究的多功能传感器大多需要昂贵且耗时的集成技术，而且由于一些特殊的活性材料可能同时对多种刺激敏感，因此难以保证这些多重刺激不会相互影响。

02. 研究内容

我实验室孙鹏教授团队提出了一种通过低成本、大面积静电纺丝制备超柔性离子纤维膜(IFM)的方法，证明了该材料不仅可用于压力传感，而且对湿度高度敏感，可以用作多功能电子皮肤，相关工作以“Multifunctional Flexible Ionic Skin with Dual-Modal Output Based on Fibrous Structure”为题发表在国际著名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。

03. 研究要点

要点1：基于IFM的柔性压力传感器利用离子液体的界面双电容传感机制对压力具有十分卓越的敏感特性

将IFM夹在两个PI/Au电极之间，构成具有夹层结构的柔性电容式压力传感器。通过一系列压力传感性能测试，证明了该装置高灵敏度（49.7 kPa-1）以及较宽的检测范围（0 - 220 kPa）（图1c）。传感器不仅在不同压力下表现出良好的重复性（图1d），而且在较大的初始压力下，传感器仍然可以具有良好的分辨率（图1f）。实验证明了该器件的长寿命和良好的长期稳定性（图1g）。

图1.基于IFM的柔性压力传感器的传感机理及传感性能

要点2：基于IFM的柔性湿度传感器凭借离子纤维内部丰富的官能团对湿度表现出优异的敏感特性

沉积有一层叉指图案金电极的IFM可以构成一个独立的柔性湿度传感器（图2c）。基于IFM的湿度传感器在15%–90%相对湿度的宽范围内表现出线性响应（图2a），相对湿度灵敏度为1.086%。传感器由于纤维结构的大比表面积而具有高灵敏度，低湿度滞后，良好的循环性能（图2d-e）等优异性能。实验进一步证明了湿度传感器用于呼气水分检测的可行性（图2f）。

图2.基于IFM的柔性湿度传感器的传感器结构和传感性能

要点3：通过双电极双模态的电信号输出有效区分压力/湿度两种刺激，无串扰影响

压力检测由上下电极之间输出的电容信号来指示，而湿度变化是由叉指电极之间的电阻信号指示。我们利用完全不同的传感机制使用不同的电极输出两个信号，以有效地区分两种刺激。实验证明压力和湿度之间相互影响可以忽略不记（图3a-b）。设计电极分布后，该器件也不存在串扰（图3c-d）。

图3.基于 IFM的柔性压力/湿度多功能i-skin的传感性能。

要点4：多功能柔性i-skin监测脉搏，呼吸，皮肤湿度等生理特性，在医疗保健领域显示出重要的价值

智能手环用于监测桡动脉脉搏和皮肤水分，实验结果表明通过传感器可以实时记录运动前后的脉搏情况以及皮肤出汗情况（图4a-c）。智能面罩可以实时监测人体呼吸，实验结果表明输出电容信号可以准确反映了呼吸频率和模式。此外，借助湿度传感器可以区分鼻呼吸和嘴呼吸。

图4.基于IFM的柔性多功能i-skin的实际应用。

04. 结论

综上所述，我们成功制备了一种基于IFM的超柔性、双模态输出压力/湿度离子皮肤。多功能离子皮肤具有出色的压力传感能力，包括高灵敏度 （49.7 kPa-1在 0–30 kPa）、宽检测范围 （0–220 kPa） 和低检测限 （65 Pa） 时。此外，作为湿度传感器，它具有高灵敏度（相对湿度为1.086%），在15%–90%相对湿度范围内具有良好的线性度以及出色的可重复性。湿度和压力之间的小串扰使得可以同时检测和区分两种刺激。因此，这种多功能柔性离子皮肤可以通过直接附着在人体皮肤上来监测各种生理特性（如脉搏、皮肤水分、呼吸等），在医疗保健领域显示出重要的价值。

05. 参考文献

Zhou, Y.; Zhao, L.; Jia, Q.; Wang, T.; Sun, P.; Liu, F.; Yan, X.; Wang, C.; Sun, Y.; Lu, G. Multifunctional Flexible Ionic Skin with Dual-Modal Output Based on Fibrous Structure. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14 (49), 55109–55118.

DOI：10.1021/acsami.2c17498

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.2c17498