机器人传感器论文(《AdvMaterTech》：具有抗菌性的多功能可穿戴柔性传感器)

当前人们对生物和高分子领域关于检测来自生命系统信号的研究日益增多，尤其是具备监测功能的传感器用来检测心血管健康状况，来自感觉神经系统的信号，以及跟踪人体肌肉运动，而这些应用于生物系统的传感器需要高的灵敏度、和高柔韧性。将这些柔性传感器贴在人体表皮或器官表面，可以实时监测人体运动和健康状况。但是，对于柔性传感器而言，除了需要其对皮肤表面压力具备较高的灵敏度之外，对于人体温度的感知能力也非常重要。传统的金属或半导体传感器可以检测压力和温度，但是由于这些刚性材料的有限的应变范围限制了其在柔性传感器领域的应用。利用碳纳米管、石墨烯、炭黑、导电聚合物制备的柔性传感器可以很灵敏的检测形变，但其对温度的感知灵敏度却比较低。另外，可穿戴传感器的抗菌性也会很大的影响其长期使用的效果。

鉴于此，武汉大学熊锐教授，王自昱副研究员和华中科技大学的朱本鹏教授合作，通过结合高分子纳米纤维的柔性和金属纳米颗粒对温度的高灵敏度，制备出了一种对于压力和温度均具有极强感知能力的柔性传感器。论文以Silver- Nanoparticle-Modified Polyimide for Multiple Artificial-Skin Sensing Applications为题，发表在《Advanced Materials Technologies》期刊，并被选为Front Cover，武汉大学博士生毕鹏为第一作者，武汉大学工研院副研究员刘晓伟和南加州大学博士后杨阳为共同第一作者(即将以Assistant professor入职San Diego State University, Dept. Mechanical Engineering)。

图1.Advanced Materials Technologies Front Cover

在这项工作中，使用静电纺丝技术制备出直径均一的聚酰亚胺纳米纤维，再通过表面修饰的方法在纳米纤维上包覆银纳米颗粒，从而使得纳米纤维薄膜具备可压缩性和导电性，之后再在薄膜上下表面附上电极，从而制备成银修饰聚酰亚胺纳米纤维柔性传感器。该传感器不仅对于压力有着极高的灵敏度(GF值高达50000左右)和较宽的感知范围(0.1KPa到100KPa)，同时对于温度也有较高的感知能力和感知范围。

图2. 柔性银包覆聚酰亚胺纳米纤维的制备及传感机理

此外，对于这一柔性传感器的抗菌性能也进行了系统研究，发现其对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有较高抗菌性能，这说明银修饰聚酰亚胺纳米纤维传感器不仅对于压力和温度具有较强的感知能力，同时还兼具对人体皮肤友好这一特性。

图3 (a)柔性传感器对压力响应的情况；(b)柔性传感器在压力和温度共同作用下的响应情况；(c,d)银修饰聚酰亚胺纳米纤维的抗菌性能

为了测试压力和热敏传感器作为人造皮肤的性能，将该传感器应用到人手握水杯这以场景，并通过发光二极管(LED)）显示其电流的变化。传感器在室温且无任何外界应力施加的情况下，由于其上电阻值较大，LED显示为微弱的红光。当传感器接触到热水杯时，电流迅速下降到5.4μA，LED亦显示为微弱的红光。随后，当轻轻握住水杯时，由于压力作用使得电阻迅速降低，LED发出强烈的黄光。接着当用力握紧水杯是，由于压力进一步降低了电阻，这使得电流急剧增加，达到100mA左右，同时LED也变成明亮的蓝光。以上结果表明，该柔性传感器可以作为一种应用于压力和温度检测的人造皮肤，在生物医学工程、机器人和机械工程中有着广泛的应用潜力。

图4 纳米纤维薄膜传感器在手握水杯时的应用场景

论文信息与链接：

Peng Bi, Xiaowei Liu, Yang Yang, Ziyu Wang,* JingShi, Gaomin Liu, Fangfang Kong, Benpeng Zhu,* and Rui Xiong*.Silver-Nanoparticle-Modified Polyimide for Multiple Artificial Skin-SensingApplications. Advanced Materials Technologies，2019, 4, 1900426.

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/admt.201900426