【文章概述】

近年来，智能皮肤作为人工智能(AI)、软机器人、健康监测的媒介受到广泛关注。随着这些关键领域的迅猛发展，开发智能、交互式、多功能的电子产品至关重要。一般来说，智能皮肤应该是超敏感的，自供电，并希望赋予皮肤视觉刺激的能力。虽然，基于Ti3C2Tx (MXene)应变/压力传感器的智能皮肤已经被开发出来，但这些传感能力与MXene在器件中的氧化现象在一定程度上限制了应用。智能皮肤的颜色、亮度等视觉信号识别技术对人工智能和健康领域的发展具有重要意义。通过机械信号的可视化，在精密紧急医疗或安全相关行业具有很大的应用潜力。此外，在实际应用中，可靠和可持续的电源供应是智能皮肤必不可少的。将优良的传感能力、可调谐的光学特性和可靠的电源的性能集成到一体的智能皮肤，仍然是一个巨大的挑战。

【成果简介】

郑州大学申长雨院士团队和中国科学院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员合作开发了一种超灵敏的自供电机械发光智能皮肤（SPMSS）。基于Ti3C2Tx (MXene)/碳纳米管协同作用的SPMSS独特的应变相关微裂纹结构设计，使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）。SPMSS作为摩擦纳米发电机（4×4cm2）一样表现出优异的性能，赋予智能皮肤可靠的电源供应和自供电感应能力。这款仿生智能皮肤在健康监测、视觉传感、自供电传感等方面具有多功能应用，在人工智能领域展现出巨大潜力。该材料符合奇材馆理念，后续开发值得期待！

【图文导图】

图1材料结构设计。

（a）SPMSS制造及应用原理图。

（b） i)头足类动物皮肤的发光机制和ii)蜘蛛狭缝器官的超敏感反应。

（c）FA的PL谱。

（d）添加4% FA的TFM的扫描电子显微镜(SEM)图像。

（e）MAX前驱体和MXene纳米片在低布拉格角下的x射线衍射图(XRD)。

（f）多层MXene的SEM图像。

（g） MXene和CNT装配示意图。

（h）SPMSS的横截面SEM图像。

（i）SPMSS表面的SEM图像。

（j）SPMSS中Ti、C、O元素映射图像。

（k）拉伸下SPMSS的光学显微镜图像。

（l）SPMSS编织的蝴蝶结放在花朵上的光学图像。

图2 SPMSS的应变传感性能及机理。

（a）不同菌株的GF。

（b）最大GF和最大应变范围与近期文献的比较。

（c）0.001%、0.005%、0.01%、0.05%、0.1%、0.5%、1%时的ΔR/ r0 -应变曲线。

（d）响应和恢复时间。

（e）在45000次循环中，5%应变的长期稳定性。

（f）检测应变极限和响应时间的比较。

（g）SPMSS拉伸裂纹扩展示意图。

图3用于视觉传感的SPMSS的可调谐ML光学特性。

（a）可调谐ML的工作机理，插图为不同状态的激光扫描共聚焦显微镜图像。

（b）不同拉伸应变下荧光颜色为黄色的SPMSS荧光照片。

（c）拉伸下不同荧光颜色(红、黄、蓝、绿)的SPMSS照片。

（d）在500 μm尺度下，SPMSS荧光呈黄色的光学显微镜图像。

（e-f）不同菌株SPMSS荧光颜色为黄色的ML谱。

（g）50%应变条件下，1000次拉伸前荧光颜色为黄色的SPMSS三维发射荧光光谱。

（h）包括不同荧光颜色的SPMSS的CIE坐标。

（i）应力、ΔR/R0和荧光强度应变曲线。

图4用于能源收集的SPMSS的TENG(4 4平方厘米)表演。

（a）SPMSS的工作机理，M和C分别代表MXene和CNT。

（b）SPMSS电势分布的有限元模拟。

（c）10n、频率2hz时SPMSS的VOC、ISC、QSC信号。

（d）测量可变负载电阻下的输出电压、输出电流和输出功率密度。

（e）SPMSS在不同频率下的充电能力和f)电容容量。

（g）led照明的数码照片。

（h）1 μF电容驱动电子表的可靠电源。

图5 SPMSS在视觉传感、健康监测和自供电传感中的应用。

（a-b）不同弯曲角度的ML激励下，食指上集成的SPMs的ΔR/R0和照片

（c）由ML以不同姿势激发的SPMs的照片和ΔR/R0。

（d）桡动脉和肱动脉脉搏波形。

（e）桡动脉脉冲波形的特征。

（f，d）PTTΔt的放大图。

（g）PWV计算原理图。

（h）基于S-TENG的8像素SPMSS阵列示意图。

（i-j）SPMSS阵列的单像素（1 cm2）输出电压，具有不同频率和j）手指触摸压力。

（k）食指运动轨迹及输出电压映射。

【奇材馆点评】

本论文成功开发了一种超灵敏自供电ML智能皮肤（SPMSS）。SPMSS在大应变范围内具有超灵敏的传感性能， 能够通过实时获取生理参数来精确监测健康状况，并通过清晰可识别的发光信号来视觉感知不同的手势。此外，SPMSS还能以S-TENG方式工作，实现自供电传感。同时易于与人体皮肤吻合，可用于获取生物机械能、触觉感知和不同目标的空间映射。本研究为集高性能应变传感、可调谐光学特性和可靠电源于一体的多功能智能皮肤的制备提供了新的策略。

【论文信息】

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