《自然·通讯》：媲美人体感知神经！自修复泡沫合成压阻式高灵敏传感器

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人类皮肤具有独特的自我修复能力，同时受多种感知神经元所支配。这些神经元埋藏在皮下并延伸至表皮，将触觉刺激传递给神经，使人们能够利用触觉来操纵物体，并对外部环境作出反应。在过去的十年里，为了模仿人的皮肤，电子皮肤（e-skins）迅速从单纯的虚构想象发展到越来越复杂的具体实物。尽管许多不同的触觉感知电子皮肤已经被成功研制，但一种能够自我修复、高灵敏以及具有应力方向感知的电子皮肤传感器尚未被开发。在有机晶体管的电子皮肤中，使用离子凝胶作为人工神经具有可观的效果，但是基于离子凝胶的神经系统还缺乏触觉敏感性。

【研究成果】

近日，新加坡国立大学的Benjamin C. K. Tee教授课题组利用一种全新低模量自愈泡沫材料，并在基体中嵌入三维电极，成功制备出一种仿生人工神经泡沫。该泡沫材料由一步自发泡工艺合成。通过调节泡沫中导电金属粒子的浓度，来调节其电阻性能，并证明它可以作为压阻式传感器，而无需封装层。该传感器对物体的接触力方向以及人体细微的活动都很敏感。此外，即使受到机械损伤，泡沫材料也能自动愈合并立即恢复正常。该工作为人工神经系统的构建奠定了基础。该工作以标题“Artificially innervated self-healing foams as synthetic piezo-impedance sensor skins” 发表于国际重要期刊Nature Communications上。文章的通讯作者为新加坡国立大学的Benjamin C. K. Tee教授。

【自愈性材料的制备】

图1 具有低模量、弹性和自愈性的人工神经压力传感器。

受人体感神经支配结构的启发，作者利用三维金属丝电极作为“神经”，嵌入到低模量但有弹性的自愈泡沫中，并称之为人工神经化泡沫（AiFoam）。与其他基于泡沫的传感器相比，作者合成的自愈泡沫材料的模量较低，仅为600 kPa，且受外力形变后可恢复最初状态。传感材料中的3D电极使AiFoam对法向力和剪切力都很敏感。通过在独特的近渗流金属颗粒泡沫复合材料中嵌入三维电极，作者证明了该传感器可以在压阻模式下工作。重要的是，AiFoam电子皮肤感知程度和人类触摸接近。

【电极类型与力响应的关系】

图2 人工神经支配在AiFoam法向力和剪切力检测中的应用。

当对传感器施加法向力或剪切力时，泡沫材料将被压缩，从而发生形变并接触到相应的电极上。这种形变会导致其阻抗的变化。作者通过施加法向力和剪切力，将带三维电极的AiFoam与同样制备的平面电极控制泡沫传感器（foam-2D）进行了比较。当施加外部压力时，压阻效应降低了两种电极配置的电阻，但是AiFoam显示出较低的初始电阻，因为与foam-2D相比，AiFoam与泡沫的接触面积更大。因此，AiFoam可以捕捉到外部机械刺激引起的表面微小变化并作出响应。

【导电填料对器件性能的影响】

图3 低模量、弹性和自愈性泡沫材料的特性。

为了制作压阻弹性体复合材料，作者添加了具有纳米级表面特征的微米镍（μNi）颗粒作为导电填料。然而，作者发现，这种粒子的加入导致了泡沫材料的闭孔化。当施加机械应力时，多孔结构能够产生更大的变形，而不会影响3D电极的完整性。当溶剂从聚合物中蒸发时，μNi粒子（和Cu电极）充当空穴形核中心。加热到70°C时，蒸发诱导的相反转会导致更大的空穴形核和聚集的形成，从而在聚合物基体中产生孔隙。聚合物底部的干燥速度比暴露在空气中的上表面慢，导致孔隙聚集，形成更大的孔隙。虽然这些方法可以产生小而均匀分布的孔，但制造过程通常涉及多个步骤，并且可能仍然包含模板材料的残留物。此外，μNi的加入增加了材料的刚度，并抵消了气孔的引入，从而降低了材料的极限强度和最大延伸率。

【器件电学性能表征】

图4 AiFoam的电学性能。

奈奎斯特图显示，含20 μNi泡沫、含25 μNi泡沫和含30 μNi泡沫的基线电阻分别从0.49 MOhm、0.35 MOhm降低到0.18 MOhm，这主要由于纳米结构的μNi颗粒分散在弹性体基体中，使得μNi泡沫电阻降低。材料的电容行为可能源于氟表面活性剂的加入所致，不含氟表面活性剂的材料的奈奎斯特图在高频范围内的电容环消失，因此，作者发现表面活性剂对复合材料的电性能有重要影响。此外，与有表面活性剂的材料相比，比不含表面活性剂的样品的介电常数低约8.5倍。值得注意的是，泡沫30 μNi在1 Hz频率下的介电常数高达94000。这是因为μNi粒子在材料基体上形成导电路径。不难发现，由于μNi体积浓度较高，无孔样品的介电常数略高于泡沫样品。特别是，当压力P<10 kPa时，含30 vol% μNi的泡沫铝的灵敏度达到378 MPa⁻¹，当10 kPa<P<100 kPa时，灵敏度保持在218 MPa⁻¹。

【研究小结】

受神经支配的人体感知系统的启发，作者提出了一种自愈性人工神经化泡沫（AiFoam）用于压阻触觉传感器。作者在泡沫材料中嵌入三维电极，可以在压阻或压阻模式下操作触觉传感器。空气泡沫传感器可以区分不同的力方向。此外，它还可以作为电容模式下的位移传感器，在新兴的电子和机器人皮肤应用中实现更为智能的人机交互。

全文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19531-0

来源：高分子科学前沿

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