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多功能聚乙烯醇基复合水凝胶电子/离子皮肤传感器的设计及应用

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多功能聚乙烯醇基复合水凝胶电子/离子皮肤传感器的设计及应用

作者：彭文武华东师范大学

学位级别：硕士

皮肤是身体与外界环境的主要界面,作为人体中涉及范围最广的器官,能够与各种受体相互作用,对外部环境的多种刺激可以实现有效识别。根据仿生学的特点,越来越多的研究者对仿生皮肤的研究产生极大的兴趣。仿生皮肤推动了人工智能的快速发... 详细信息

皮肤是身体与外界环境的主要界面,作为人体中涉及范围最广的器官,能够与各种受体相互作用,对外部环境的多种刺激可以实现有效识别。根据仿生学的特点,越来越多的研究者对仿生皮肤的研究产生极大的兴趣。仿生皮肤推动了人工智能的快速发展,在人机界面、智能机器人、健康监测以及植入式假体等领域均有广阔应用。为了实现不同应用领域的各种实时变形的感知,仿生皮肤传感器必须对刺激产生特异的响应信号并做出及时反馈。目前水凝胶基电子皮肤和离子皮肤应变传感器仍然存在着一些局限性,例如自愈合时间长、抗冻性能差、保水不持久、缺乏粘附性、低温条件下导电性低以及传感无法识别方向等。基于此,我们设计了一系列多功能高分子基仿生皮肤,并应用于柔性应变传感器。主要研究内容如下:1.将聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯亚胺(PEI)在4-甲酰基苯并硼酸(Bn)的交联作用下形成的水凝胶网络构成基本框架,并通过加入纳米材料TiCT(MXene)提高其导电性能,我们制备了一种水凝胶基电子皮肤(PBPM),并应用于应变传感器。PBPM水凝胶具有超快的自愈合性能(自愈合时间～0.06 s)和良好的导电性。由PBPM水凝胶组装的应变传感器对刺激具有快速的响应性(响应时间为0.12 s),可以有效检测和区分模型人各个关节的运动情况,而且还能够明确判断运动方向,例如低头/抬头和手腕向上/向下等,这种方向识别能力是电子皮肤在实际应用中智能化的一个重要特征。本研究解决了目前水凝胶基传感器存在的自愈时间长和作为应变传感器无法区分方向等问题。2.将导电ZnSO掺杂到聚乙烯醇-聚丙烯酰胺双网络水凝胶(PVA-PAM)中,并在乙二醇(EG)和水的混合溶剂中浸泡一段时间,制备出了一种具有超低温防冻、保湿和抗疲劳性能的双网络水凝胶(PPZE)。PPZE水凝胶展现了高导电性(0.44 S m)和优异的保湿能力。用作离子皮肤传感器时,PPZE水凝胶显示了快速的信号响应能力(响应时间～0.2 s)、良好的抗疲劳性能和优异的抗冻性能(-50℃)。本研究弥补了水凝胶基电子皮肤应变传感器中存在的导电填充材料在大应变下彼此分离而致使导电网络断裂的缺点。3.通过聚乙烯醇和聚丙烯酰胺构成水凝胶的基本网络框架,加入氯化钙和导电填充材料MXene,结合霍夫梅斯特效应,我们制备出一种具有自粘附、高灵敏(在200%拉伸应变下,GF=3.0)、超低温抗冻(-50℃)和持久稳定保湿(连续使用70天仍然能保持其水分处于稳定的状态)的柔性电子-离子水凝胶(PPCM)。由PPCM水凝胶组装的仿生皮肤柔性应变传感器,既克服了电子皮肤或离子皮肤等单一传感器存在的缺陷,又兼具了两者优异的性能。本研究为人造皮肤、健康检测以及人机界面等领域提供了新的思路和方案,推动了智能化柔性仿生皮肤传感器的进一步发展。

关键词：柔性应变传感器电子皮肤离子皮肤功能高分子水凝胶智能化

离子二极管基自供电离子皮肤的设计制备及多功能应用

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离子二极管基自供电离子皮肤的设计制备及多功能应用

作者：杜明玉青岛大学

学位级别：硕士

随着仿生学的发展,可以模仿人体皮肤感知外界环境、监测人体生理活动的人造电子/离子皮肤引起了广泛的研究与关注。其中,仿生离子皮肤具有与生物组织相似的机械性能和相同的信号传输载体(离子),显示出更好的兼容性。离子二极管由一对聚... 详细信息

随着仿生学的发展,可以模仿人体皮肤感知外界环境、监测人体生理活动的人造电子/离子皮肤引起了广泛的研究与关注。其中,仿生离子皮肤具有与生物组织相似的机械性能和相同的信号传输载体(离子),显示出更好的兼容性。离子二极管由一对聚阳离子和聚阴离子导体组成,能够从低频机械刺激或人体运动中获取能量,可用于制备自供电离子皮肤。然而,在实际应用中面临一些障碍:如力电转换机制不清晰、有限的透明度和可拉伸性以及压力感知的单一功能。为解决以上问题,本文设计制备了基于离子二极管的自供电离子皮肤,揭示了其力电转换机理,并实现了多功能应用,主要研究结果如下:1.本文以海藻酸钠(SA)、壳聚糖(CS)、丙烯酰胺(AM)为主要原料,制备了高度透明、可拉伸(>500%)的离子二极管基自供电离子皮肤。该离子皮肤由两个离子水凝胶电极和夹在中间的水凝胶离子二极管组成,可迅速响应压力和应变刺激,灵敏度高、检测范围宽;还可根据水凝胶电极中离子迁移引起的电位变化,进行盐浓度(10M-10 M)和p H的精准感知。另外根据实验结果与理论探究,揭示了离子二极管基自供电器件的力电转换取决于离子二极管的厚度依赖性自感应电势(机制I),以及机械刺激下二极管/电极界面电势损耗的变化(机制II),为离子二极管基自供电器件的发展提供了一定的理论基础。2.为探究离子二极管在低频机械能收集领域的应用,本文通过外加电场(1.5 V)下2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠(AMPS)和丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(ATAC)分别与丙烯酰胺(AM)的共聚,制备了梯度聚阴/阳离子水凝胶膜,并将其组装成离子二极管。该离子二极管具有高输出电压(>300 m V)和高整流比(13.2),在0.5 Hz、0.25 MPa的低频压力刺激下,其输出功率密度高达5.22μW·cm。另外,该离子二极管用作压力传感器时具有高压缩灵敏度(336.45 m V/MPa)和良好的循环稳定性(>500次),在施加/释放压力的瞬间能够迅速作出响应,并可感知静态刺激。3.为克服水凝胶高温脱水和低温冻结的缺陷,本文使用3-磺丙基丙烯酸钾(SPAK)、(3-丙烯酰氨丙基)三甲基氯化铵(APTQ)和丙烯酰胺(AM),通过溶剂置换法制备了聚阴离子(P(SPAK-co-AM))和聚阳离子(P(APTQ-co-AM))低共熔凝胶。由二者组成的低共熔凝胶离子二极管柔软可拉伸(～900%),具有优异的抗干燥(200℃)和抗冻(-60℃)性能。另外,该离子二极管可作为自供电传感器精准感知不同压力(0.25-25 k Pa)和不同应变(10%-300%),而且其传感灵敏度在不同温度下(50℃、室温、-20℃)具有高稳定性,促进了离子二极管基自供电仿生皮肤在恶劣环境中的长期稳定运行。

关键词：离子二极管自供电离子皮肤多功能传感机械能收集

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高灵敏度离子皮肤手指关节角度传感器的设计

西安交通大学学报 2021年第3期55卷 164-174页

作者：倪娜薛晓敏张陵王垠西安建筑科技大学理学院西安710055 西安交通大学土木工程系西安710049 西安交通大学航天航空学院西安710049 西安理工大学工程力学系西安710048

为解决柔性传感器监测手指关节运动时灵敏度、测量范围及阈值有限的问题,设计并制备了一种多介电层(3层)结构形式的离子皮肤手指关节角度传感器。该传感器由多个硅橡胶薄膜和高保水性的离子凝胶电极构成,当穿戴传感器的手指关节弯曲时,... 详细信息

为解决柔性传感器监测手指关节运动时灵敏度、测量范围及阈值有限的问题,设计并制备了一种多介电层(3层)结构形式的离子皮肤手指关节角度传感器。该传感器由多个硅橡胶薄膜和高保水性的离子凝胶电极构成,当穿戴传感器的手指关节弯曲时,根据应变引起其电容信号的变化,可测得手指关节弯曲角度。构建多介电层结构形式的离子皮肤应变传感理论模型;推导多介电层离子皮肤手指关节角度传感器的角度传感理论模型;测试传感器输出与手指关节角度关系。实验结果表明,传感器角度传感理论模型与测试结果吻合较好;传感器灵敏度为单介电层离子皮肤手指关节角度传感器的3.5倍,测量范围囊括手指关节从展平到完全弯曲状态角度,阈值小于1°,具有灵敏度高、测量范围广和阈值低的特性。离子皮肤多介电层的结构形式及理论模型对康复训练患者及微操纵机械手的精准测量具有较好应用前景。

关键词：康复训练指关节运动柔性传感器离子皮肤关节角度

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高线性度离子皮肤手指关节弯曲角度传感器

传感器与微系统 2021年第2期40卷 61-64页

作者：倪娜薛晓敏王垠西安建筑科技大学力学系陕西西安710055 西安交通大学土木工程系陕西西安710049 西安理工大学工程力学系陕西西安710048

针对柔性传感器用于手指关节弯曲角度测量范围有限和线性度不高的问题,制备了一种透明的离子皮肤手指关节弯曲角度传感器。该传感器由具有拉伸率大、保水性高的氯化锂离子凝胶电极和硅橡胶薄膜构成。建立传感器的角度传感理论模型,测试... 详细信息

针对柔性传感器用于手指关节弯曲角度测量范围有限和线性度不高的问题,制备了一种透明的离子皮肤手指关节弯曲角度传感器。该传感器由具有拉伸率大、保水性高的氯化锂离子凝胶电极和硅橡胶薄膜构成。建立传感器的角度传感理论模型,测试传感器电容信号与手指关节弯曲角度的关系。试验结果表明,该传感器可以测量手指关节全运动范围内的角度,线性度为4.84%。相比其它柔性传感器,该离子皮肤手指关节弯曲角度传感器角度测量范围广、线性度更优。此外,该传感器制备工艺简单,价格低廉,在康复工程和机器人等领域具有很好的应用前景。

关键词：关节角度离子皮肤柔性传感器关节运动

基于聚（磺基甜菜碱-苯硼酸）水凝胶的离子皮肤研究

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基于聚（磺基甜菜碱-苯硼酸）水凝胶的离子皮肤研究

作者：柏鸣天津大学

学位级别：硕士

仿生皮肤可模拟人类皮肤,具有感知多种刺激的能力,在医疗监控、人工智能等领域有着广泛的应用。随着组织界面传感类设备(智能敷料、智能隐形眼镜)的发展,对仿生皮肤的生物相容性要求也逐渐提升。两性离子材料具有高度的生物相容性,为了... 详细信息

仿生皮肤可模拟人类皮肤,具有感知多种刺激的能力,在医疗监控、人工智能等领域有着广泛的应用。随着组织界面传感类设备(智能敷料、智能隐形眼镜)的发展,对仿生皮肤的生物相容性要求也逐渐提升。两性离子材料具有高度的生物相容性,为了增强两性离子水凝胶拉伸性能,本文将疏水性单体苯硼酸(MPBA)与两性离子单体磺基甜菜碱(SBMA)共聚,制备出的水凝胶具有良好的拉伸性与机械强度,并可应用于压力-葡萄糖响应型的离子皮肤以及多指标区分与实时监测的传感型伤口敷料。本文首先基于MPBA和SBMA合成了poly(SBMA-co-MPBA)水凝胶。该水凝胶具有良好的机械性能(最大应变750%,拉伸弹性模量17.5 k Pa,压缩弹性模量1.5 MPa),且有效克服了蛋白、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的粘附,还具有良好的生物相容性(细胞毒性测试结果显示细胞存活率接近100%)。基于poly(SBMA-co-MPBA)水凝胶,制备出了压力-葡萄糖响应型离子皮肤,可灵敏地感知微小应力变化(～8 Pa),并能实时监测葡萄糖浓度的变化,有望应用于实时监测人体运动以及血糖指标。在此基础上,本文进一步引入温敏性材料N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm),合成了可响应三种指标的poly(SBMA-co-NIPAAm-co-MPBA)水凝胶,并设计开发了三明治结构的多信号传感伤口敷料,实现了应力、葡萄糖浓度、温度信号指标的实时监测与区分:上层水凝胶可感知应力、温度;下层水凝胶可感知应力、温度和葡萄糖浓度;双层凝胶作为电容器可感知压力。与商业Duoderm敷料相比,传感伤口敷料更有效地克服了细菌粘附与蛋白吸附(荧光蛋白吸附量为Duoderm的1/20,细菌粘附数为Duoderm的1/10)。糖尿病模型小鼠的实验表明,传感伤口敷料不仅能促进糖尿病小鼠伤口的细胞增殖与组织修复、加快创面愈合,还能连续实时监测与区分伤口肿胀、炎症、血糖三种指标以监控伤口状态。综上,本文开发了生物相容性良好的两性离子基仿生皮肤,并设计制备了多种信号区分且实时监测的传感敷料,在伤口监测以及血糖监测领域具有重要的应用价值。

关键词：离子皮肤两性离子材料苯硼酸生物相容性葡萄糖响应

一种基于可3D打印温度敏感水凝胶的多功能离子皮肤

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一种基于可3D打印温度敏感水凝胶的多功能离子皮肤

中国化学会2017全国高分子学术论文报告会

作者：雷周玥武培怡复旦大学

随着物联网,人工智能和软机器人等领域的发展,制备可以模仿人体皮肤的感知能力和力学性能的多功能传感器受到越来越多研究者的关注。在本工作中,我们采用一种可3D打印的温度敏感水凝胶构筑了一种新型多功能离子皮肤。由于该温度敏感水... 详细信息

随着物联网,人工智能和软机器人等领域的发展,制备可以模仿人体皮肤的感知能力和力学性能的多功能传感器受到越来越多研究者的关注。在本工作中,我们采用一种可3D打印的温度敏感水凝胶构筑了一种新型多功能离子皮肤。由于该温度敏感水凝胶的粘度在不同温度下可调节,因此可进行亚毫米分辨率的3D打印;通过打印技术实现的微结构,可以有效放大离子皮肤的电容变化比例,从而赋予该离子皮肤对于外界刺激（如温度和压力）更灵敏的电容响应。本工作旨在提出一种通用简便的方法,将刺激响应水凝胶的体积相变行为转化为可靠电信号,不仅拓宽了多功能水凝胶的研究思路,也为开发多功能智能皮肤提供了新途径。

关键词：离子皮肤刺激响应水凝胶 3D打印电容传感器体积相变行为

来源： cnki会议评论

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一种基于仿生矿物水凝胶的智能离子皮肤

一种基于仿生矿物水凝胶的智能离子皮肤

中国化学会2017全国高分子学术论文报告会

作者：武培怡复旦大学高分子科学系

本工作利用一种仿生矿物水凝胶,构筑了具有高灵敏度和良好力学适应性的离子皮肤。水凝胶的制备方法是受自然界中虾壳结构和生物体内矿化过程的启发,以及通过对无定形矿物与常见高分子的红外光谱分析,利用无定形碳酸钙（ACC）纳米粒子、... 详细信息

本工作利用一种仿生矿物水凝胶,构筑了具有高灵敏度和良好力学适应性的离子皮肤。水凝胶的制备方法是受自然界中虾壳结构和生物体内矿化过程的启发,以及通过对无定形矿物与常见高分子的红外光谱分析,利用无定形碳酸钙（ACC）纳米粒子、聚丙烯酸（PAA）和海藻酸钠三者物理交联而成,合成方法简单。制备的矿物水凝胶具有独特粘弹性质,基于其构筑的电容式传感器具有较高的灵敏度和良好的力学适应性（包括柔性、可拉伸、易加工、完全自主自修复以及保持与动态界面的高度匹配）,可以感知外界微小的压力变化（包括人体运动以及小水滴落下等）,不仅在人工智能、人机交互和可穿戴设备等领域显示了巨大的应用潜力,对于未来开发新型具有良好力学适应性的智能皮肤材料也具有一定的启发。

关键词：离子皮肤超分子水凝胶电容传感器自修复仿生材料

来源： cnki会议评论

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宁波材料所等在自愈合离子皮肤领域取得进展

高科技与产业化 2023年第1期29卷 87-87页

中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员朱锦团队基于多年的自愈合材料和电子皮肤的研发经验（Advanced Functional Materials,2022, 32, 2106341; Advanced Functional Materials, 2021, 31,2009869; Chemical Engineering Journal, 2021, 420, 127691;Chemical Engineering Journal, 2021, 410, 128363; ACS Applied Materials&Interfaces, 2020, 12, 11072; Materials Today Physics,

关键词：离子皮肤

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基于可逆交联聚合物的自修复类皮肤传感器

基于可逆交联聚合物的自修复类皮肤传感器

作者：仇念裕吉林大学

学位级别：硕士

类皮肤传感器由于具有良好的导电性和稳定性,使得它在柔性传感器件领域具有非常广阔的应用前景。然而,这些类皮肤传感器在日常使用过程中会经历多次的拉伸、弯曲和压缩,这会对类皮肤传感器产生机械损伤。这些损伤会破坏类皮肤传感器的... 详细信息

类皮肤传感器由于具有良好的导电性和稳定性,使得它在柔性传感器件领域具有非常广阔的应用前景。然而,这些类皮肤传感器在日常使用过程中会经历多次的拉伸、弯曲和压缩,这会对类皮肤传感器产生机械损伤。这些损伤会破坏类皮肤传感器的结构和机械完整性,导致传感功能的丧失、降低它们的使用寿命。所以,赋予类皮肤传感器自修复及可循环利用性是解决该问题的最有效的方法之一。此外,类皮肤传感器还应具有优异的力学性能,如高强度、高拉伸性以及抗撕裂性,以保证其在使用过程中的稳定性。因此,制备兼具高强度、高拉伸性及抗撕裂性能的自修复、可重塑的类皮肤传感器十分重要。1.我们将衣糠酸酐与三甘醇甲基醚甲基丙烯酸酯通过自由基聚合反应制备前体聚合物,随后利用二氨基二苯二硫及丙胺对前体聚合物中的酸酐进行开环,制备了基于氢键相互作用及动态芳香二硫键的高强度、高弹性自修复弹性体。自修复弹性体玻璃化转变温度为-6?C,且具有优异的热稳定性。拉伸测试表明当被二苯氨基二硫消耗的酸酐百分含量为5%,被丙胺消耗的百分含量为95%时,PI(SS-PA)-co-PT弹性体的机械性能最好,其中断裂强度为～2.29 MPa,断裂应变为～566%,杨氏模量达到～1.8 MPa。循环拉伸测试证明上述比例的聚合物具有良好的弹性和自恢复性。受到损伤的弹性体在50℃、100%湿度的条件下修复18h即可以恢复到初始样品的机械性能。此外,弹性体在85℃,4 MPa压力条件下具有优异的可循环利用性。进一步,通过在PI(SS-PA)-co-PT弹性体表面涂敷Ag纳米粒子,可以实现基于PI(SS-PA)-co-PT的电子皮肤传感器。该电子皮肤传感器具有良好的灵敏度,可以感知弯折、触碰、深呼吸及不同类型的人体活动。2.我们将丙烯酸(AA)、甲氧基聚乙二醇丙烯酸甲酯(PEGMEA)、氯化钙、双三氟甲烷磺酰亚胺锂(Li TFSI)以及紫外光引发剂在水中混合,在紫外光引发下聚合形成水凝胶后干燥除水,最终可以制备得到具有高拉伸性、抗撕裂性、高灵敏度的自修复离子皮肤传感器。通过改变Li TFSI以及Ca的含量,可以调控PAx Liy-Ca Z弹性体的力学性能及传感性能。其中,PA1.4Li2.8-Ca7%弹性体的强度及断裂伸长率分别为～0.31 MPa以及～712.7%。更为重要的是,作为离子皮肤传感器,PA1.4Li2.8-Ca7%弹性体的灵敏度最高,达到了～8.57。同时,PA1.4Li2.8-Ca7%离子皮肤传感器还展现出优异的抗撕裂性能。得益于PA1.4Li2.8-Ca7%离子皮肤传感器内部的动态氢键及配位键相互作用,PA1.4Li2.8-Ca7%离子皮肤传感器具有优异的自修复性能。损伤的PA1.4Li2.8-Ca7%离子皮肤传感器经过72 h的修复即可完全恢复机械性能。

关键词：自修复弹性体电子皮肤离子皮肤传感器