MXene基仿生电子皮肤，可用于数字化和可视化双通道传感

北科纳米提供MXene材料（可定制）

Bioinspired MXene-Based User-Interactive Electronic Skin for Digital and Visual Dual-Channel Sensing

Wentao Cao, Zheng Wang, Xiaohao Liu, Zhi Zhou, Yue Zhang, Shisheng He*, Daxiang Cui*, and Feng Chen*

Nano-Micro Letters (2022)14:119

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00838-0

本文亮点

1. 采用便捷的设计理念，构建了一种仿生的MXene基电子皮肤，用于数字和视觉双信号传感。

内容简介

同济大学附属第十人民医院陈峰研究员、贺石生教授团队和上海交通大学崔大祥教授团队合作，提出了一种结构简单、能在外界机械刺激下同步实现数字化电信号响应和光学可视化的仿生柔性电子皮肤。该电子皮肤由碳纳米管/纤维素纳米纤维/MXene导电层和硅胶/热变色颜料弹性层组成，二维MXene纳米片与纤维素纳米纤维(CNFs)分散的一维碳纳米管(CNTs)相结合，使电子皮肤具有出色的机电响应行为，能够实现对人体全方位活动的准确监测。此外，MXene/碳纳米管的焦耳加热性能可以将局部热能传递给硅基弹性体中的热变色颜料，用于被动变色显示、伪装和视觉监控。因此，与传统MXene基电子皮肤相比，该电子皮肤具有可以同步实现对外界机械刺激的数字/电信号响应和光学可视化的特点。本研究不仅展示了具有显著数字、视觉协同作用的仿生用户交互电子皮肤，而且为下一代智能柔性电子产品的开发提供了良好的平台。

图文导读

通过将导电CCM层转移到硅胶内部，我们制备了一种柔性、应变敏感和人机交互的CCM电子皮肤(图1)。CCM电子皮肤附着在人体皮肤上后，可以通过数字和视觉两种人工感官通道，对人体活动进行监测。机电/数字通道由应变传感器组成，通过分析电阻信号的变化来检测人体运动，而视觉通道主要基于焦耳加热和热机械变色机制。这种多模态融合策略使CCM e-skin能够被更加直接和精确地用于人类活动的研究。

图1. MXene基电子皮肤的制备示意图。首先将CNTs、CNFs和MXene纳米片混合液抽滤得到复合膜；随后，对硅胶进行预固化，制备出具有粘性的基板，并在聚四氟乙烯模具的辅助下进行着色；最后，将复合膜转移到硅胶上。其中，复合膜作为应变传感层和焦耳加热层，而硅胶/变色颜料层作为热致变色组分和包覆层。因此，CCM 电子皮肤可以利用数字-视觉融合的方式实现对人体运动的智能监测。

II CCM薄膜的表征及分子动力学模拟

图2. MXene纳米片、CNTs、CNFs和CCM薄膜的表征。(a) MAX前驱体和制备的MXene纳米片的XRD谱图；(b)制备的2D MXene纳米片的TEM图像；(c) MXene纳米片的AFM图像和高度剖面；(d) MXene纳米片的横向尺寸分布；(e) CNTs的TEM图像；(f) CNFs的TEM图像，插图为CNFs分散液的照片；(g) CNTs/CNFs油墨及储存1周后的流变行为；(h)分子动力学模拟图；(i)葡萄糖分子与碳纳米管表面之间距离的估计密度的变化；(j)沉积在纤维素膜上的CNTs、CCM-0.2、CCM-0.5和CCM-1薄膜的照片；(k) CCM膜俯视图和扫描电镜横断面图像。

III CCM电子皮肤的机电特性及机理

图3. CCM电子皮肤的机电特性及机理。(a) CCM电子皮肤在不同MXene含量下的电导率；(b) CCM电子皮肤机电响应机理示意图；(c) CNFs/CNTs、CCM-0.2、CCM-0.5、CCM-1和原始MXene e-skin在不同应变下的相对电阻值变化；(d) CCM-0.5电子皮肤在各种最大拉伸应变(5、10、20、50、100、150、200和250%)下的相对电阻变化；(e) 100%应变下CCM-0.5 e-skin在不同频率下的相对电阻变化；(f)阻力和应变随时间变化的时间保留曲线；(g)恒频率1hz, CCM-0.5 e-skin在0% ~100%应变范围内拉伸/松弛1000次循环时的相对电阻变化；(h)多周期试验的电阻变化:100%应变下，第1次(灰色)、第10次(蓝色)、第100次(橙色)和第1000次(绿色)。

IV CCM电子皮肤用于监测人体生理运动

CCM e-skin具有柔韧性强、灵敏度高、稳定性好、拉伸范围广等优异的综合性能，可实现对人体大尺度运动和细微生理信号的全范围实时监测。我们将CCM电子皮肤直接贴在人体各关节上，检测人体的大动作，例如，将CCM电子皮肤分别安装在手指关节和手腕关节上，记录弯曲和放松运动时的响应信号(图4a, b)。通过分析阻力的相对变化，可以准确快速地识别不同的弯曲程度。此外，CCM电子皮肤还能够监测不同弯曲频率下的手臂弯曲运动(图4c)。除了常规的关节弯曲运动外，更复杂的人类活动，包括手写、向杯子里倒水、喝水等，也可以通过将CCM电子皮肤粘附在手腕或手臂关节上进行检测(电影S1、2和图4d-f)。此外，特殊的拉伸能力使CCM e-skin能够稳定地检测需要大拉伸变形的膝关节弯曲运动，通过将CCM电子皮肤连接到膝关节上，通过以高度可重复的方式观察CCM电子皮肤的相对电阻的变化，可以很容易地检测腿部运动，如行走和跑步(图4和S13)。

图4. CCM电子皮肤检测各种生理运动的响应信号。(a)手指弯曲和(b)手腕弯曲不同角度的监测过程； (c) CCM电子皮肤在检测不同速度下手臂弯曲时的相对电阻响应； (d) CCM电子皮肤对手写MXene的相对抗性反应；检测各种手臂动作，如(e)向杯子里倒水和(f)喝水；(g) CCM电子皮肤检测不同转速下的相对电阻响应； (h)讲话“MXene”和(i)吞咽喉部时记录响应曲线。

V CCM电子皮肤的焦耳加热性能

对于CCM电子皮肤，施加的应变会同时产生电阻的变化，这为实现动态焦耳加热行为提供了机会。为了定量地了解CCM电子皮肤的电热特性，我们在CCM电子皮肤上安装了直流(DC)电源系统，并通过实时红外(IR)热成像摄像机无线监测温度变化(图5a)。图5b为不同MXene含量的CCM电子皮肤在外部电压为20 V时的温度-时间曲线，碳纳米管/碳纳米管表皮的电热性能较差，饱和温度较低，约为34.5 ℃。随着MXene纳米片的加入，CCM电子皮肤的焦耳加热性能有明显提高的趋势。

图5. 直流电压下CCM电子皮肤的焦耳加热性能。(a)使用红外相机测量焦耳热的装置示意图；(b)输入电压为20 V时不同MXene含量CCM电子皮肤的温度分布；(c)不同输入电压下CCM电子皮肤的温度随时间的变化曲线；(d) CCM-0.5 e-skin的稳态温度与电压平方成函数；(e) CCM-0.5 e-skin在不同应变水平下的记录温度图；(f)初始温度为60 ℃时的温度变化曲线；(g) CCM-0.5 e-skin在电压从10 V逐步增加到25 V时的温度分布； (h)重复施加15V电压的CCM-0.5 e-skin加热稳定性试验；(i) CCM-0.5 e-skin电加热器在输入电压为20v时的长期温度变化曲线。

VI CCM电子皮肤的热变色效应及应用实例

为了可视化CCM e-skin对拉伸应变的热响应，我们采用了一种分散在硅橡胶中的热变色颜料复合体系，该材料可以根据颜色的变化反映CCM e-skin的应变、电阻和温度的变化。中间的CCM膜可以作为施加机械应变的温度可调加热器，而混合了热变色颜料的硅橡胶可以作为封装和温度显示。将各种热变色颜料与液态硅橡胶混合，形成均匀的变色层，含有热致变色染料的CCM电子皮肤在室温下保持其最初的颜色(如蓝色、黄色、紫色、红色等)，但超过31或65 ℃时就会变成白色(由黑变白)。此外，由于热变色组分具有不同的响应温度，混合两种颜料可能会产生一个新的体系，呈现出更广泛、更丰富三色状态。

图6. CCM电子皮肤的热变色效应及应用实例。(a)当施加电压为20 V时，具有不同热变色特征的CCM电子皮肤会变色为白色；(b)图显示了CCM电子皮肤在恒定拉伸作用下电阻和颜色的变化趋势；(c) CCM电子皮肤在保持恒定外加电压的情况下被拉伸的照片；(d)通过开关电压，用于军事伪装的CCM电子皮肤的热变色应用示例。

VII 交互式温度/颜色变化电子皮肤的视觉运动监测

CCM电子皮肤对各种拉伸应变具有良好的温度/颜色敏感性，在人体活动的视觉监测中具有重要的应用潜力。将CCM e-skin附着在手部模型的食指关节上，记录其在不同应变下的实时温度和颜色变化。在上述单通道传感的基础上，我们还研究了一种视觉多通道传感系统，该系统由5个CCM电子皮肤组成，并以并联方式工作，以较高的精度监测机械手单个手指的弯曲情况。与其他没有视觉感知能力的MXene电子皮肤相比，CCM e-skin可以同步实现对外界机械刺激的数字电响应和光学可视化。据我们所知，在我们提出这项工作之前，还缺乏基于MXene的多模态融合策略。该电子皮肤的简单设计理念和可靠运行有望为下一代柔性电子产品提供一个理想的平台。

图7. 交互式温度/颜色变化电子皮肤的视觉运动监测。(a) CCM电子皮肤随手指弯曲的温度变化及相应的恢复过程；(b)机械手照片及对应的温度分布图像，对应于(a)中手指的各种弯曲状态；(c)温度随手指运动的变化；(d,c)手指在不同运动状态下的照片及相应的温度分布图像；(e) CCM电子皮肤与其他基于MXene的电子皮肤的总体性能比较。