【科研速递】河海大学王延杰教授团队在离子柔性传感器设计与应用研究方面取得新进展
来源:河海大学
近日，河海大学、江苏省特种机器人技术重点实验室王延杰教授团队在功能材料领域权威期刊《AdvancedFunctionalMaterials》上发表题为“IonicFlexibleSensors:Mechanisms,Materials,Structures,andApplications”的综述文章。论文系统总结了离子柔性传感器在传感机理、组成、结构设计及应用方面的最新研究进展。
人体皮肤是人体最大的感觉器官，可以感知压力、应变、温度和湿度。通过模仿人类皮肤的触觉感知功能，基于离子迁移和离子重分布机制的离子柔性传感器得到了飞速发展。与传统柔性传感器相比，离子柔性传感器不仅具有高灵敏性、高抗噪性、高分辨率，且具有自修复、自供电和生物相容性等生物学特性，在电子皮肤、人机交互、可穿戴医疗设备等领域具有重要的应用及学术价值。该文详细回顾了几种典型的离子柔性传感机制及结构组成，并通过耦合模型讨论了其传感性能的影响因素，包括超级电容界面离子传感效应、压电式离子传感效应和压阻式离子传感效应。其次，基于可生物降解性、自愈性和多模态性等生物学特性，重点讨论了固体离子聚合物基体、金属基电极、非金属基电极和微结构设计在离子柔性传感器中的应用及改进策略。然后，探讨了离子柔性传感器在人工皮肤、人机交互技术、可穿戴设备等相关领域的典型应用。最后，提出了离子柔性传感器当前面临的挑战和未来发展趋势，为离子传感器的发展提供可参考的技术路线图。
该工作是团队近期关于离子柔性器件相关研究的最新进展之一。近年来，团队对离子柔性器件（包括离子柔性传感器和离子柔性驱动器）的机理、制备、性能改进及模型应用做了一系列的探索。在制备工艺方面，团队提出一种电极界面的新制备工艺，实现枝状电极的可控生长，有效增强传感信号与驱动性能（ACSAppl.Mater.Interfaces2017,9,30258），并阐明了含水量对离子驱动器性能的影响规律，提出了电极优化方法，实现了驱动性能提升（ElectrochimActa2014,129,450-8）。在传感性能探究方面，团队揭示了自供电离子聚合物传感器湿度感知机理，实现了电压、电阻、电容等多物理参数感知模式（Sensors&Actuators:B.Chemical2021,345,130421和RSCAdv.2020,10,27447-27455）；同时，建立了基于N-P方程的离子聚合物传感器力电耦合模型，并通过磁场、微结构实现对自供电离子聚合物传感器应变传感性能110%的提升（SmartMater.Struct.2021,30,065013和Sensors2019,19,2104）。在应用方面，团队研发了可用于医疗手术和人工心脏的活性导管和微泵样机（ApplBionicsBiomech,2018,2018:4031705），并开发了一种离子簇团聚机理启发的球形变刚度软体抓手（SoftRobotics2021）。相关研究成果获江苏省科学技术奖三等奖。
该研究联合了西安交通大学、南方科技大学、英国斯旺西大学多名国际学者，受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
《AdvancedFunctionalMaterials》是英国JohnWiley&SonsLtd.出版社创办的材料科学领域的旗舰期刊，主要刊载新材料科学、物理、化学、能源等多个学科的前沿研究成果，其刊文质量得到了学术界高度认可。该期刊2020年影响因子为18.808。
论文DOI：
https://doi.org/10.1002/adfm.202110417