巧用“漁網(wǎng)”制備新型柔性電極

2022-06-03 13:00:02來源：寧波市科技局閱讀量：133 評論

導讀：該電極可以應(yīng)用在全天候心電監(jiān)測、智能人機交互系統(tǒng)及人體熱療等方面，有望助力基于萬物互聯(lián)的可穿戴健康監(jiān)護系統(tǒng)及電子皮膚人機交互界面的持續(xù)發(fā)展。

　　漁網(wǎng)是如何從水產(chǎn)業(yè)跨界到可穿戴人機交互領(lǐng)域的？玄機就在漁網(wǎng)出水那一瞬間。

　　受這一瞬間啟發(fā)，中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員李潤偉團隊聯(lián)合寧波諾丁漢大學教授朱光團隊設(shè)計出具有柔性自適應(yīng)導電界面的超穩(wěn)定、可拉伸電極。該電極經(jīng)過33萬次100%拉伸應(yīng)變循環(huán)，電阻僅變化5%，面對冷熱、酸堿、浸水等環(huán)境變化，依舊表現(xiàn)出穩(wěn)定的電性能，解決了柔性電極導電率和拉伸率不可兼容、循環(huán)變形下電性能不穩(wěn)定的問題。

　　該電極可以應(yīng)用在全天候心電監(jiān)測、智能人機交互系統(tǒng)及人體熱療等方面，有望助力基于萬物互聯(lián)的可穿戴健康監(jiān)護系統(tǒng)及電子皮膚人機交互界面的持續(xù)發(fā)展。

　　近日，相關(guān)論文作為《信息材料》封面文章刊發(fā)。

　　“水膜—漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)性能最佳

　　在智能可穿戴電子領(lǐng)域，實現(xiàn)穩(wěn)定耐用的柔性可拉伸導體仍是巨大挑戰(zhàn)。尤其針對人體表皮生理信號，穩(wěn)定的可拉伸電極可以實現(xiàn)長時間精準的收集。

　　目前，柔性電極主要分為表面結(jié)構(gòu)設(shè)計型、導電材料復合型和本真可拉伸型，但這三大類型均難以實現(xiàn)在動態(tài)變形下穩(wěn)定的電性能。

　　論文第一作者、兩個團隊聯(lián)合培養(yǎng)博士曹晉瑋告訴《中國科學報》，為了攻克挑戰(zhàn)，他們最初考慮過模擬窗紗結(jié)構(gòu)，但窗紗柔性不足。在后續(xù)觀察和尋找中，他們發(fā)現(xiàn)人工漁網(wǎng)是最佳模擬對象——漁夫拉網(wǎng)出水時，網(wǎng)上會附有一層水膜，這個“水膜—漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)能夠很好地適形，可以跟隨基體變動卻又不失去自身連續(xù)的形貌。

　　這正是穩(wěn)定可拉伸電極所需要的特性。

　　該團隊提出，利用聚氨酯(TPU)靜電紡絲與液態(tài)金屬(LM)微納顆粒，經(jīng)靜電紡絲和靜電噴涂進行原位復合，隨后進行機械激活，形成液態(tài)金屬TPU二維仿“水膜—漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)薄膜，可制備出具有柔性自適應(yīng)導電界面的超穩(wěn)定可拉伸電極(NHSE)。

　　實現(xiàn)低電阻、高穩(wěn)定、可拉伸

　　據(jù)研究人員介紹，該電極實現(xiàn)了52mΩ/sq的極低初始方阻，應(yīng)變下通過TPU網(wǎng)孔束縛液態(tài)金屬的對外擴展和在網(wǎng)孔內(nèi)的自適應(yīng)流動，解決了可拉伸電極曾面臨的導電率和拉伸率不可兼容、循環(huán)變形下電性能不穩(wěn)定的問題，具備優(yōu)越的動態(tài)循環(huán)穩(wěn)定性，經(jīng)過33萬次100%拉伸應(yīng)變循環(huán)，電阻僅變化5%。

　　“你可以理解為，我們用液態(tài)金屬替代水，用TPU靜電紡絲替代漁網(wǎng)線，制出的TPU液態(tài)金屬復合材料不僅薄，而且具有出色的柔性、拉伸性，以及處于行業(yè)領(lǐng)先優(yōu)勢的耐久性。”曹晉瑋介紹，面對冷熱、酸堿、浸水等服役環(huán)境的變化，該電極依舊表現(xiàn)出穩(wěn)定的電性能。

　　適用于多類場景

　　論文中介紹列舉了數(shù)種應(yīng)用途徑，例如，通過局部激活和激光切割，可以將TPU液態(tài)金屬復合材料制備成多層、多功能人機交互系統(tǒng)。

　　上層電容傳感陣列連接在集成電路和藍牙模塊上，可以實現(xiàn)無線信號傳輸，在拉伸和彎曲狀態(tài)下均可以對計算機輸入無線指令，可應(yīng)用在智能可穿戴游戲控制等方面。下層蛇形加熱器展現(xiàn)出良好的電熱穩(wěn)定性，可以實現(xiàn)45℃~90℃穩(wěn)定加熱，并展現(xiàn)出優(yōu)異的加熱循環(huán)性能，可用于人體加熱治療。

　　該電極良好的生物相容性和極低毒性，還可以實現(xiàn)人體表皮全天候心電信號檢測。研究團隊根據(jù)人的活動場景，為電極設(shè)計了靜態(tài)、運動、水沖等3個工作場景，極低的初始電阻使該電極收集心電信號的信噪比達到0.43，尤其在水沖場景中依然能夠收集到穩(wěn)定、清晰的心電信號。

　　《信息材料》審稿人認為，對于可穿戴電子設(shè)備來說，電性能的穩(wěn)定性、耐久性至關(guān)重要，而論文作者通過精心設(shè)計，實現(xiàn)了超穩(wěn)定可拉伸電極的制備，在動態(tài)拉伸、浸水、酸堿、冷熱等服役環(huán)境變化中，均證明了NHSE具有良好的應(yīng)用前景。

　　原標題：巧用“漁網(wǎng)”制備新型柔性電極

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