Электронная кожа относится к гибкой , растягивающейся и самовосстанавливающейся электронике, которая может имитировать функции кожи человека или животных. [1] [2] Широкий класс материалов часто обладает сенсорными способностями, которые предназначены для воспроизведения способности кожи человека реагировать на факторы окружающей среды, такие как изменения температуры и давления. [1] [2] [3] [4]
Достижения в области электронных исследований кожи направлены на создание эластичных, прочных и гибких материалов. Значительно продвинулись исследования в отдельных областях гибкой электроники и тактильного восприятия ; тем не менее, дизайн электронной оболочки пытается объединить достижения во многих областях исследования материалов, не жертвуя индивидуальными преимуществами каждой области. [5] Успешное сочетание гибкости и растяжимости механических свойств с датчиками и способностью к самовосстановлению откроет дверь для многих возможных приложений, включая мягкую робототехнику , протезирование, искусственный интеллект и мониторинг здоровья. [1] [5] [6] [7]
Последние достижения в области электронной оболочки были сосредоточены на включении идеалов экологически чистых материалов и экологической осведомленности в процесс проектирования. Поскольку одна из основных проблем, стоящих перед разработкой электронной оболочки, заключается в способности материала выдерживать механическое напряжение и сохранять чувствительность или электронные свойства, возможность вторичной переработки и свойства самовосстановления особенно важны в будущем дизайне новых электронных обложек. [8]
Реализуемая электронная кожа
Способность электронной кожи к самовосстановлению имеет решающее значение для потенциальных применений электронной кожи в таких областях, как мягкая робототехника. [7] Правильный дизайн самовосстанавливающейся электронной кожи требует не только заживления основной подложки, но и восстановления любых сенсорных функций, таких как тактильное восприятие или электрическая проводимость. [7] В идеале процесс самовосстановления электронной кожи не зависит от внешней стимуляции, такой как повышенная температура, давление или сольватация. [1] [7] [8] Самовосстанавливающаяся электронная кожа часто достигается с помощью материала на основе полимера или гибридного материала.
Материалы на полимерной основе
В 2018 году Zou et al. опубликовала работу по электронной оболочке, способной восстанавливать ковалентные связи при повреждении. [8] Группа изучила сшитую сеть на основе полиимина, синтезированную, как показано на рисунке 1. Электронная оболочка считается восстанавливаемой из-за «обратимого обмена связями», что означает, что связи, удерживающие сеть вместе, способны разрушаться и реформироваться. при определенных условиях, таких как сольватация и нагревание. Возможность повторного использования и повторного использования такого термореактивного материала уникальна, поскольку многие термореактивные материалы необратимо образуют сшитые сети за счет ковалентных связей. [9] В полимерной сети связи, образованные в процессе заживления, неотличимы от исходной полимерной сети.
Также было показано, что динамическое нековалентное сшивание формирует полимерную сетку, которая может быть повторно залечена. В 2016 году Oh et al. специально рассмотрел полупроводниковые полимеры для органических транзисторов. [10] Они обнаружили, что включение 2,6-пиридиндикарбоксамида (PDCA) в основную цепь полимера может придавать способность к самовосстановлению, основанную на сети водородных связей, образованных между группами. Благодаря включению PDCA в основную цепь полимера, материалы смогли выдержать до 100% деформации без появления признаков микромасштабного растрескивания. В этом примере водородные связи доступны для рассеивания энергии по мере увеличения напряжения.
Гибридные материалы
Полимерные сети могут способствовать процессам динамического заживления за счет водородных связей или динамической ковалентной химии. [8] [10] Тем не менее, включение неорганических частиц может значительно расширить функциональные возможности материалов на основе полимеров для применения в электронной обшивке. Было показано, что включение микроструктурированных частиц никеля в полимерную сетку (рис. 2) сохраняет свойства самовосстановления, основанные на реформировании сетей водородных связей вокруг неорганических частиц. [7] Материал способен восстанавливать свою проводимость в течение 15 секунд после разрушения, а механические свойства восстанавливаются через 10 минут при комнатной температуре без дополнительных воздействий. Этот материал основан на водородных связях, образующихся между группами мочевины при их выравнивании. Атомы водорода функциональных групп мочевины идеально расположены для образования водородно-связывающей сети, поскольку они находятся рядом с электроноакцепторной карбонильной группой. [11] Эта полимерная сетка со встроенными частицами никеля демонстрирует возможность использования полимеров в качестве супрамолекулярных хозяев для разработки самовосстанавливающихся проводящих композитов. [7]
Также было показано, что гибкие и пористые графеновые пены, соединенные между собой трехмерным образом, обладают свойствами самовосстановления. [4] Тонкая пленка с поли (N, N-диметилакриламид) -поли (виниловым спиртом) (PDMAA) и восстановленным оксидом графена показала высокую электропроводность и самовосстанавливающиеся свойства. Предполагается, что лечебные свойства гибридного композита обусловлены водородными связями между цепями PDMAA, и процесс заживления способен восстановить исходную длину и восстановить проводящие свойства. [4]
Перерабатываемый электронный скин
Zou et al . представляет интересный прогресс в области электронной кожи, которая может использоваться в робототехнике, протезировании и многих других приложениях в виде полностью перерабатываемого электронного материала кожи. [8] Электронная кожа, разработанная группой, состоит из сети ковалентно связанных полимеров, которые являются термореактивными, что означает отверждение при определенной температуре. Однако этот материал также подлежит переработке и повторному использованию. Поскольку полимерная сетка является термореактивной, она химически и термически стабильна. [9] Однако при комнатной температуре полииминовый материал с наночастицами серебра или без них может быть растворен в течение нескольких часов. Процесс рециклинга позволяет устройствам, которые повреждены сверх возможностей самовосстановления, растворяться и превращаться в новые устройства (рис. 3). [8] Этот прогресс открывает дверь для более дешевого производства и более экологичных подходов к разработке электронных скинов.
Гибкая и эластичная электронная кожа
Способность электронной кожи противостоять механической деформации, включая растяжение и изгибание, без потери функциональности, имеет решающее значение для ее применения в протезировании, искусственном интеллекте, мягкой робототехнике, мониторинге здоровья, биосовместимости и устройствах связи. [1] [3] [4] [12] Гибкая электроника часто создается путем нанесения электронных материалов на гибкие полимерные подложки, тем самым полагаясь на органическую подложку для придания благоприятных механических свойств. [1] К эластичным материалам электронной кожи подходили с двух сторон. Гибридные материалы могут полагаться на органическую сетку для растягивания при встраивании неорганических частиц или сенсоров, которые по своей природе не растягиваются. Другое исследование было сосредоточено на разработке растяжимых материалов, которые также обладают хорошими электронными или сенсорными способностями. [1]
Zou et al. изучили включение линкеров, которые описаны как «серпентины», в их полииминовую матрицу. [8] Эти линкеры делают сенсоры электронной кожи способными изгибаться при движении и искажении. Также было показано, что включение алкильных спейсеров в материалы на основе полимеров увеличивает гибкость без снижения подвижности переноса заряда. [10] О и др. разработали растяжимый и гибкий материал на основе 3,6-ди (тиофен-2-ил) -2,5-дигидропирроло [3,4- c ] пиррол-1,4-диона (DPP) и несопряженных 2,6 -пиридиндикарбоксамид (PDCA) как источник водородных связей (рис. 4). [10]
Также было показано, что графен является подходящим материалом для электронных покрытий из-за его жесткости и прочности на разрыв. [13] Графен является привлекательным материалом, поскольку его синтез для получения гибких подложек масштабируем и экономичен. [13]
Проводящая электронная кожа
Разработка токопроводящей электронной оболочки представляет интерес для многих электрических приложений. [3] [7] [14] Исследования проводящей электронной оболочки проводились по двум направлениям: проводящие самовосстанавливающиеся полимеры или внедрение проводящих неорганических материалов в непроводящие полимерные сети. [1]
Самовосстанавливающийся проводящий композит, синтезированный Tee et al . (Рисунок 2) [7] исследовали включение микроструктурированных частиц никеля в полимерную основу. Частицы никеля прилипают к сетке за счет благоприятного взаимодействия между слоем естественного оксида на поверхности частиц и полимером, связывающим водород. [7]
Наночастицы также изучались на предмет их способности придавать проводимость электронным поверхностным материалам. [8] [14] Zou et al. встроили наночастицы серебра (AgNP) в полимерную матрицу, что сделало электронную кожу проводящей. Процесс заживления этого материала заслуживает внимания, поскольку он не только восстанавливает механические свойства полимерной сетки, но также восстанавливает проводящие свойства, когда наночастицы серебра были внедрены в полимерную сетку. [8]
Чувствительная способность электронной кожи
Некоторые из проблем, с которыми сталкиваются возможности электронного распознавания кожи, включают хрупкость датчиков, время восстановления датчиков, повторяемость, преодоление механических напряжений и долгосрочную стабильность. [5] [15]
Тактильные датчики
Приложенное давление можно измерить, отслеживая изменения сопротивления или емкости. [13] Было показано, что копланарные встречно-штыревые электроды, встроенные в однослойный графен, обеспечивают чувствительность к давлению для приложенного давления до 0,11 кПа посредством измерения изменений емкости. [13] Пьезорезистивные датчики также показали высокий уровень чувствительности. [15] [16] [17]
Ультратонкие сенсорные матрицы из дисульфида молибдена, интегрированные с графеном, продемонстрировали многообещающие механические свойства, позволяющие определять давление. [15] Модификации транзисторов с органическим полевым эффектом (OFET) показали себя многообещающими в электронных приложениях для кожи. [18] Микроструктурированные тонкие пленки полидиметилсилоксана могут упруго деформироваться при приложении давления. Деформация тонкой пленки позволяет накапливать и выделять энергию. [18]
Визуальное представление приложенного давления было одной из областей интереса при разработке тактильных датчиков. [3] [19] Группа Бао из Стэнфордского университета разработала электрохромно активную электронную кожу, которая меняет цвет при разном давлении. [3] Приложенное давление также можно визуализировать путем включения органических светодиодных дисплеев с активной матрицей, которые излучают свет при приложении давления. [19]
Другие приложения для зондирования
Датчики влажности были встроены в дизайн электронной оболочки с сульфурированными вольфрамовыми пленками. Электропроводность пленки меняется при разном уровне влажности. [20] Кремниевые наноленты также были изучены на предмет их применения в качестве датчиков температуры, давления и влажности. [21]
Смотрите также
- Искусственная ячейка
- Искусственная мышца
- Электронный нос
- Электронный язык
- Нежная кожа
Рекомендации
- ^ a b c d e f g h Benight, Стефани Дж .; Ван, Чао; Ток, Джеффри Б.Х .; Бао, Чжэнань (2013). «Эластичные и самовосстанавливающиеся полимеры и устройства для электронной кожи». Прогресс в науке о полимерах . 38 (12): 1961–1977. DOI : 10.1016 / j.progpolymsci.2013.08.001 .
- ^ а б душ Сантуш, Андрея; Фортунато, Эльвира; Мартинс, Родриго; Агуас, Хьюго; Игрежа, Руи (январь 2020 г.). «Механизмы трансдукции, методы микроструктурирования и применения электронных датчиков давления кожи: обзор последних достижений» . Датчики . 20 (16): 4407. DOI : 10,3390 / s20164407 . PMC 7472322 . PMID 32784603 .
- ^ а б в г д Чжоу, Хо-Сю; Нгуен, Аманда; Чортос, Алекс; Кому, Джону ВФ; Лу, Чиен; Мэй, Цзяньго; Куросава, Таданори; Пэ, Вон-Гю; Ток, Джеффри Б.-Х. (2015-08-24). «Эластичная электронная кожа в стиле хамелеонов с интерактивным изменением цвета, управляемым тактильным ощущением» . Nature Communications . 6 : 8011. Bibcode : 2015NatCo ... 6.8011C . DOI : 10.1038 / ncomms9011 . PMC 4560774 . PMID 26300307 .
- ^ а б в г Хоу, Чэнъи; Хуанг, Дао; Ван, Хунчжи; Ю, Хао; Чжан, Цинхун; Ли, Яоган (5 ноября 2013 г.). «Прочная и растяжимая самовосстанавливающаяся пленка с самоактивирующейся чувствительностью к давлению для потенциальных применений искусственной кожи» . Научные отчеты . 3 (1): 3138. Bibcode : 2013NatSR ... 3E3138H . DOI : 10.1038 / srep03138 . ISSN 2045-2322 . PMC 3817431 . PMID 24190511 .
- ^ а б в Гамак, Mallory L .; Чортос, Алекс; Ти, Бенджамин С.-К .; Ток, Джеффри Б.-Х .; Бао, Чжэнань (01.11.2013). «Статья к 25-летию: Эволюция электронной оболочки (E-Skin): краткая история, соображения дизайна и недавний прогресс». Современные материалы . 25 (42): 5997–6038. DOI : 10.1002 / adma.201302240 . ISSN 1521-4095 . PMID 24151185 .
- ^ Бауэр, Зигфрид; Бауэр-Гогоня, Симона; Грац, Ингрид; Кальтенбруннер, Мартин; Кеплингер, Кристоф; Швёдиауер, Рейнхард (01.01.2014). «Статья, посвященная 25-летию: Мягкое будущее: от роботов и сенсорной кожи к сборщикам энергии» . Современные материалы . 26 (1): 149–162. DOI : 10.1002 / adma.201303349 . ISSN 1521-4095 . PMC 4240516 . PMID 24307641 .
- ^ Б с д е е г ч I Ти, Бенджамин СК .; Ван, Чао; Аллен, Ранульфо; Бао, Чжэнань (декабрь 2012 г.). «Электрически и механически самовосстанавливающийся композит с чувствительностью к давлению и сгибанию для электронных кожных аппликаций». Природа Нанотехнологии . 7 (12): 825–832. Bibcode : 2012NatNa ... 7..825T . DOI : 10.1038 / nnano.2012.192 . ISSN 1748-3395 . PMID 23142944 .
- ^ Б с д е е г ч I Цзоу, Чжанан; Чжу, Чэнпу; Ли, Ян; Лэй, Синфэн; Чжан, Вэй; Сяо, Цзяньлян (2018-02-01). «Поддающаяся восстановлению, полностью перерабатываемая и податливая электронная оболочка, созданная с помощью динамического ковалентного термореактивного нанокомпозита» . Наука продвигается . 4 (2): eaaq0508. Bibcode : 2018SciA .... 4..508Z . DOI : 10.1126 / sciadv.aaq0508 . ISSN 2375-2548 . PMC 5817920 . PMID 29487912 .
- ^ а б Одиан, Джордж (2004). Принципы полимеризации . Джон Вили и сыновья.
- ^ а б в г О, Джин Ён; Рондо-Ганье, Симон; Чиу, Ю-Ченг; Чортос, Алекс; Лиссель, Франциска; Ван, Гинг-Цзи Натан; Шредер, Боб С.; Куросава, Таданори; Лопес, Джеффри (ноябрь 2016 г.). «Собственно растягиваемый и излечиваемый полупроводниковый полимер для органических транзисторов» (PDF) . Природа . 539 (7629): 411–415. Bibcode : 2016Natur.539..411O . DOI : 10,1038 / природа20102 . ISSN 1476-4687 . PMID 27853213 . S2CID 4401870 .
- ^ Амендола, Валерия; Фаббрицци, Луиджи; Моска, Лоренцо (17 сентября 2010 г.). «Распознавание анионов по водородной связи: рецепторы на основе мочевины». Обзоры химического общества . 39 (10): 3889–915. DOI : 10.1039 / b822552b . ISSN 1460-4744 . PMID 20818452 .
- ^ Савагатруп, Сучол; Чжао, Сикан; Чан, Эстер; Мэй, Цзяньго; Липоми, Даррен Дж. (2016-10-01). «Влияние нарушенного сопряжения на растяжимость полупроводниковых полимеров» . Макромолекулярные быстрые коммуникации . 37 (19): 1623–1628. DOI : 10.1002 / marc.201600377 . ISSN 1521-3927 . PMID 27529823 .
- ^ а б в г Нуньес, Карлос Гарсия; Наварадж, Уильям Таубе; Polat, Emre O .; Дахия, Равиндер (2017-05-01). «Энергетически автономная, гибкая и прозрачная тактильная кожа» (PDF) . Современные функциональные материалы . 27 (18): н / д. DOI : 10.1002 / adfm.201606287 . ISSN 1616-3028 .
- ^ а б Сегев-Бар, Мейталь; Ландман, Авигейл; Нир-Шапира, Мааян; Шустер, Григорий; Хейк, Хоссам (26.06.2013). «Настраиваемый сенсорный датчик и комбинированная сенсорная платформа: электронная кожа на основе наночастиц». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 5 (12): 5531–5541. DOI : 10.1021 / am400757q . ISSN 1944-8244 . PMID 23734966 .
- ^ а б в Парк, Минхун; Пак, Юн Чжу; Чен, Сян; Парк, Йон-Кю; Ким, Мин-Сок; Ан, Чон-Хён (2016-04-01). «Тактильный датчик на основе MoS2 для электронных приложений кожи». Современные материалы . 28 (13): 2556–2562. DOI : 10.1002 / adma.201505124 . ISSN 1521-4095 . PMID 26833813 .
- ^ Сантос, Андрея дос; Пинела, Нуно; Алвес, Педро; Сантос, Родриго; Фортунато, Эльвира; Мартинс, Родриго; Агуас, Хьюго; Игрежа, Руи (2018). «Пьезорезистивные датчики электронной кожи, изготовленные с помощью форм с лазерной гравировкой» . Современные электронные материалы . 4 (9): 1800182. DOI : 10.1002 / aelm.201800182 . ISSN 2199-160X .
- ^ душ Сантуш, Андрея; Фортунато, Эльвира; Мартинс, Родриго; Агуас, Хьюго; Игрежа, Руи (2020). «Механизмы трансдукции, методы микроструктурирования и применения электронных датчиков давления кожи: обзор последних достижений» . Датчики . 20 (16): 4407. DOI : 10,3390 / s20164407 .
- ^ а б Mannsfeld, Stefan CB; Ти, Бенджамин С.-К .; Stoltenberg, Randall M .; Чен, Кристофер VH-H .; Бармен, Соумендра; Muir, Beinn VO; Соколов, Анатолий Н .; Риз, Колин; Бао, Чжэнань (октябрь 2010 г.). «Высокочувствительные гибкие датчики давления с микроструктурированными резиновыми диэлектрическими слоями». Материалы природы . 9 (10): 859–864. Bibcode : 2010NatMa ... 9..859M . DOI : 10.1038 / nmat2834 . ISSN 1476-4660 . PMID 20835231 .
- ^ а б Ван, Чуань; Хван, Дэвид; Ю, Жибин; Такеи, Кунихару; Пак, Джуну; Чен, Тереза; Ма, Биву; Джейви, Али (октябрь 2013 г.). «Интерактивная электронная кожа для мгновенной визуализации давления». Материалы природы . 12 (10): 899–904. Bibcode : 2013NatMa..12..899W . CiteSeerX 10.1.1.495.742 . DOI : 10.1038 / nmat3711 . ISSN 1476-4660 . PMID 23872732 .
- ^ Го, Хуаян; Лан, Чанъён; Чжоу, Чжифэй; Вс, Пейхуа; Вэй, Дапенг; Ли, Чун (18.05.2017). «Прозрачные, гибкие и растяжимые датчики влажности на основе WS2 для электронной кожи». Наноразмер . 9 (19): 6246–6253. DOI : 10.1039 / c7nr01016h . ISSN 2040-3372 . PMID 28466937 .
- ^ Ким, Джемин; Ли, Минчол; Шим, Хён Джун; Гаффари, Рузбех; Чо, Хе Рим; Сын, Донхи; Юнг, Йей Хван; Сох, Мин; Чхве, Чхансун (9 декабря 2014 г.). «Эластичная электроника из кремниевых нанолент для кожных протезов» . Nature Communications . 5 : 5747. Bibcode : 2014NatCo ... 5.5747K . DOI : 10.1038 / ncomms6747 . PMID 25490072 .