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- 河海大學教師團隊在離子柔性傳感器領域取得進展
- 來源：未來網(wǎng)教育看點 發(fā)表于 2022/11/14
Nafion Electrodes with High Stability for Self-powered Ionic Flexible Sensors”的研究論文。該工作受生物毛發(fā)發(fā)根結構啟發(fā)，通過集成噴涂和電鍍Au工藝，在離子聚合物基體膜上生成具有強牢固性、低表面電阻、高穩(wěn)定性的仿生柔性電極，以制備具有感知應變、壓力、濕度的多功能離子柔性傳感器，有效解決了離子柔性傳感器因電極/基體失配導致?lián)p壞進而失效的技術難題。
皮膚是人體最大的感覺器官，可以感知壓力、應變、溫度和濕度。通過模仿人類皮膚的觸覺感知功能，基于離子遷移和離子重分布機制的離子柔性傳感器得到了飛速發(fā)展。然而，目前設計的離子柔性傳感主要技術挑戰(zhàn)之一在于柔性電極與離子聚合物基體膜難以完美結合，可能會導致離子柔性傳感器因電極開裂、脫落而失效。受生物毛發(fā)發(fā)根結構啟發(fā)，研究團隊提出了一種簡便、高效、穩(wěn)定的方法在離子聚合物基體膜表面形成面向離子柔性傳感器使用的Ag NWs@Au嵌入式柔性電極，該電極具有三個功能層，包括基質層、Ag NWs嵌入層和Ag NWs@Au層，其分別類似于毛發(fā)結構中的表皮層，發(fā)根嵌入層，發(fā)絲層。這三個功能層的協(xié)同作用使Ag NWs@Au嵌入式柔性電極在惡劣環(huán)境下依然具有穩(wěn)定的耐腐蝕性、低表面電阻、強抗表面磨損和與基體的強粘附力�；贏g NWs@Au嵌入式柔性電極的離子傳感器不僅能夠實現(xiàn)力電感知（應變、壓力），而且能夠實現(xiàn)濕度感知。而基于其它電極的離子柔性傳感器只能實現(xiàn)單一環(huán)境參數(shù)的感知。與此同時，對人體呼吸進行監(jiān)測，實驗表明，該離子柔性傳感器能夠有效感知人體呼吸頻率及幅度。經(jīng)過兩個月后，該傳感器仍然具有良好的濕度感知能力。
該研究工作是團隊近期關于離子柔性器件相關研究的最新進展之一。近年來，團隊對離子柔性器件（包括離子柔性傳感器和離子柔性驅動器）的機理、制備、性能改進及模型應用做了一系列的探索。在制備工藝方面，團隊提出一種制備枝狀電極界面的新工藝，并實現(xiàn)枝狀電極的可控生長（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 30258），闡明了含水量對離子驅動器性能的影響規(guī)律，提出了電極優(yōu)化方法（Electrochim Acta 2014, 129, 450-8）。在傳感性能探究方面，團隊揭示了自供電離子聚合物傳感器濕度感知機理，實現(xiàn)了電壓、電阻、電容等多物理參數(shù)感知模式（Sensors & Actuators: B. Chemical 2021, 345, 130421和RSC Adv. 2020, 10, 27447-27455），并闡明了接觸面積對離子傳感器壓力傳感信號的影響（Smart Mater. Struct. 2022, 31, 065013）；同時，通過磁場、微結構實現(xiàn)對自供電離子聚合物傳感器應變傳感性能110%的提升（Smart Mater. Struct. 2021, 30 , 065013和Sensors 2019, 19, 2104）。在應用方面，團隊研發(fā)了可用于醫(yī)療手術和人工心臟的活性導管和微泵樣機（Appl Bionics Biomech, 2018, 2018:4031705）及離子變色皮膚（Advances in Mechanical Engineering. 2022; 14 (8)），并開發(fā)了一種基于離子簇團聚機理的球形變剛度軟體抓手（Soft Robotics 2021）。此外，團隊還系統(tǒng)總結了離子柔性傳感器在傳感機理、組成、結構設計及應用方面的最新研究進展（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2110417）。
論文第一作者為河海大學機電工程學院博士生趙春，通訊作者為河海大學機電工程學院王延杰教授。來自西安交通大學、合肥工業(yè)大學、淮北師范大學、英國斯旺西大學等高校多名學者參與了該項研究工作，該項工作得到了國家自然科學基金（51975184和52105573）、國家重點研發(fā)計劃（2020YFB1312900）等項目的支持。（通訊員：河海大學 張春平）
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