近日，我院青年英才崗?fù)貔i博士在柔性傳感領(lǐng)域取得系列新進(jìn)展，相關(guān)工作以“Biomimetic breathable nanofiber electronic skins with temperature-controlled self-adhesive and directional moisture-wicking properties for bifunctional pressure and non-contact sensing”為題，發(fā)表于柔性電子領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《Nano Energy》（中科院一區(qū)，影響因子16.8）；“Self-powered noncontact triboelectric nanogenerators with microstructured square-loop surface and dielectric electron-blocking layer for far-distance motion perception and trajectory tracking”為題，發(fā)表于柔性電子領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《Nano Energy》（中科院一區(qū)，影響因子16.8）；“Natural Human Skin-Inspired Wearable and Breathable Nanofiber-Based Sensors with Excellent Thermal Management Functionality”為題，發(fā)表于柔性電子領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《Adanced Fiber Materials》（中科院一區(qū)Top期刊，影響因子17.2）；“Highly breathable and sensitive iontronic wearable sensor based on porous ionic electrolyte and microstructure for human movement sensing”為題，發(fā)表于柔性電子領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《Chemical Engineering Journal》（中科院一區(qū)Top期刊，影響因子13.3）。王鵬博士為論文第一作者/通訊作者，濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院為通訊單位。
1. Biomimetic breathable nanofiber electronic skins with temperature-controlled self-adhesive and directional moisture-wicking properties for bifunctional pressure and non-contact sensing（Nano Energy，中科院一區(qū)，影響因子16.8）
電子皮膚在可穿戴傳感領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，近年來(lái)發(fā)展迅速。具有透氣性、自粘附性、排汗性和多種傳感功能，但在單一設(shè)備上無(wú)法實(shí)現(xiàn)。為此，該工作受天然人體皮膚的啟發(fā)，開發(fā)了一種基于全納米纖維平臺(tái)的透氣自粘電子皮膚，具有獨(dú)特的定向排汗性能和雙功能壓力和非接觸傳感能力。該成果以具有良好透氣性的靜電紡絲納米纖維為基底，研制了一種具有獨(dú)特的定向吸濕-排汗性能和雙功能壓力和非接觸式傳感能力的透氣自粘傳感器。該傳感器不僅具有23 kPa-1的高壓傳感靈敏度和2米的超寬非接觸檢測(cè)范圍。該傳感器還具有53.9 mm s-1的優(yōu)異透氣性和快速排汗能力。該傳感器在皮膚溫度下可以緊密附著在人體皮膚上，在高溫下使用溫控可逆相變凝膠可以很容易地剝離。
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2. Self-powered noncontact triboelectric nanogenerators with microstructured square-loop surface and dielectric electron-blocking layer for far-distance motion perception and trajectory tracking（Nano Energy，中科院一區(qū)，影響因子16.8）
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對(duì)室內(nèi)人類活動(dòng)的持續(xù)監(jiān)測(cè)對(duì)老年人或患者的醫(yī)療保健至關(guān)重要。最近被開發(fā)的自供電非接觸摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）傳感器是一種很有前途的替代非接觸傳感技術(shù)，其不考慮隱私問題，但檢測(cè)遠(yuǎn)距離物體運(yùn)動(dòng)的能力仍然較差。為此，該工作綜合利用納米結(jié)構(gòu)摩擦電材料、高介電常數(shù)介電層和粗糙電極表面的優(yōu)勢(shì)，在具有大介電常數(shù)的鈦酸銅鈣/Ecoflex納米復(fù)合材料層上構(gòu)建了具有微結(jié)構(gòu)正方形循環(huán)表面的摩擦電鈷納米多孔碳/Ecoflex復(fù)合材料層，開發(fā)了一種超遠(yuǎn)距離檢測(cè)的單電極模式非接觸TENG傳感器。
3. Natural Human Skin-Inspired Wearable and Breathable Nanofiber-Based Sensors with Excellent Thermal Management Functionality（Adanced Fiber Materials，中科院一區(qū)，影響因子17.2）
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柔性傳感設(shè)備由于其高靈敏度、寬檢測(cè)范圍、快速響應(yīng)時(shí)間和完美貼合人體皮膚的能力而具有實(shí)用性，因此受到了越來(lái)越多的關(guān)注。然而，大多數(shù)報(bào)道的柔性傳感器都是在不透水的聚合物基底上制備的，這會(huì)阻礙被覆蓋的皮膚與外界之間的氣體交換，導(dǎo)致穿著時(shí)的不適和可靠性較弱。為了克服上述問題，棉織物和紗線等天然紡織品因其透氣性、重量輕和舒適性高而被廣泛用作制造柔性傳感器的基底。然而，大多數(shù)基于紡織品的傳感器由于其親水性、高厚度和低彈性模量的固有缺陷，其實(shí)際應(yīng)用仍然受到限制。同時(shí)，高厚度和低彈性模量阻止了可佩戴傳感器適應(yīng)柔軟皮膚的變形，從而降低了傳感精度和佩戴舒適性。通過(guò)簡(jiǎn)單的靜電紡絲工藝制造的納米纖維制成具有良好耐磨性和舒適性，超薄厚度、足夠的透氣性、非凡的疏水性、高孔隙率和良好的表面功能成為可穿戴傳感器的有前途的替代基底。然而，一個(gè)新的挑戰(zhàn)已經(jīng)出現(xiàn)，因?yàn)樗鼈兊某『投嗫仔再|(zhì)不可避免地導(dǎo)致較差的保溫能力，這嚴(yán)重削弱了在寒冷條件下穿著的舒適性。
受人類天然皮膚的啟發(fā)，該工作開發(fā)了一種可穿戴、透氣的基于納米纖維的傳感器，該傳感器不僅具有基于被動(dòng)保溫和主動(dòng)焦耳加熱效應(yīng)的卓越熱管理功能，還具有良好傳感性能。該傳感器由碳納米管（CNT）/熱塑性聚氨酯（TPU）納米纖維電極層、微孔離子氣凝膠電解質(zhì)中間層和微結(jié)構(gòu)Ag/TPU納米纖維電極層組成。得益于傳感器的微結(jié)構(gòu)與離子超級(jí)電容壓力傳感機(jī)制，該傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的傳感性能。即靈敏度為24.62 kPa-1、響應(yīng)時(shí)間為50 ms和檢測(cè)范圍為120 kPa。此外，由于TPU的整體多孔結(jié)構(gòu)和疏水性，該傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的透氣性（62 mm/s）和防水性能，（接觸角為151.2°）。此外，具有高太陽(yáng)能吸收率（70%）的CNT（上層）、用于隔熱的具有低導(dǎo)熱率（0.063W·m-1·k-1）的氣凝膠（中間層）和面向皮膚的具有高紅外反射率（85%）的Ag（底層）使傳感器具有良好的被動(dòng)保溫性能。因此，該傳感器的表面溫度比商用棉布的表面溫度高16.8 ℃。此外，通過(guò)對(duì)底部電阻Ag電極施加電流，即使在極冷的環(huán)境中，傳感器的表面溫度也可以在2分鐘內(nèi)快速升高58.8 ℃，這表明皮膚可以根據(jù)需要進(jìn)行加熱。所提出基于納米纖維的可穿戴傳感器由于其透氣性和疏水性而佩戴舒適，并且在寒冷環(huán)境中顯示出卓越的熱管理功能，有望用于健康監(jiān)測(cè)和熱療中。
4. Highly breathable and sensitive iontronic wearable sensor based on porous ionic electrolyte and microstructure for human movement sensing（Chemical Engineering Journal，中科院一區(qū)，影響因子13.3）
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柔性可穿戴設(shè)備因其在可穿戴傳感器、智能顯示器、健康診斷和治療、電子皮膚、人機(jī)交互和能量采集方面的潛在應(yīng)用而引發(fā)了研究興趣。其中，可穿戴電容式壓力傳感器以其簡(jiǎn)單的器件結(jié)構(gòu)、可靠且能耗相對(duì)較低而備受關(guān)注。到目前為止，在提高電容傳感器的靈敏度方面已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但實(shí)現(xiàn)具有超高靈敏度和大工作范圍的人類健康監(jiān)測(cè)，以滿足從微小變形（如脈搏跳動(dòng)）到重大變形（如人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)）的全面醫(yī)療和保健生物監(jiān)測(cè)仍然具有挑戰(zhàn)性。同時(shí)，大多數(shù)報(bào)道的傳感設(shè)備都是在致密、氣密的彈性基底上制造的，該基底缺乏透氣性，這阻礙了皮膚與外界之間的熱量和氣體交換，使其不適合長(zhǎng)期佩戴（導(dǎo)致皮膚積熱，甚至紅腫和炎癥）。為了提高透氣性和穿著舒適性，已經(jīng)研究并報(bào)道了基于織物（如棉布、無(wú)紡布等）的傳感器。然而，織物的厚度和體積較大，阻礙了傳感器與人體皮膚之間的粘附和后續(xù)工作。織物具有天然的親水性，長(zhǎng)時(shí)間穿著會(huì)導(dǎo)致汗液進(jìn)入傳感器，削弱傳感器的傳感性能。在此，該工作設(shè)計(jì)并制造了一種基于多孔離子電解質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的高靈敏度、寬檢測(cè)范圍的透氣疏水性離子電子壓力傳感器。該傳感器是在具有微凸起的多孔離子電解質(zhì)被兩個(gè)微圖案的Ag/G/TPU納米纖維電極夾在中間之后實(shí)現(xiàn)的。由于微觀結(jié)構(gòu)的制備和超級(jí)電容工作原理的引入，制備的電子傳感器表現(xiàn)出超高的靈敏度（21.3kPa-1）、大的工作范圍（0.30-106 kPa）、極低的檢測(cè)限（約40 mg）以及顯著的可靠性和耐用性。由于納米纖維電極中豐富的微孔結(jié)構(gòu)和多孔電解質(zhì)，所制備的傳感器具有較高的透氣性（25.02 mm/s）和透濕性（102.35 g/m2h），提高了長(zhǎng)期佩戴的舒適性。同時(shí)，TPU納米纖維的天然疏水性（接觸角約為155.1°）賦予了傳感器優(yōu)異的防汗性，可以有效防止汗液侵蝕傳感器。此外，該傳感器已成功應(yīng)用于人體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和二維壓力檢測(cè)。在構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的幫助下，它可以識(shí)別人類的行走、跑步、跳躍等動(dòng)作，成功率為100%。這項(xiàng)工作有望為下一代人造電子皮膚中可穿戴、透氣、疏水、高靈敏度和寬范圍壓力傳感器的制造鋪平道路。
5.作者介紹
王鵬：濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師，校聘青年英才崗，研究方向?yàn)槿嵝詡鞲衅鳎攸c(diǎn)突破柔性傳感在實(shí)用化過(guò)程中遇到的傳感材質(zhì)柔彈性差、傳感器件靈敏度低和可穿戴性差等瓶頸問題，積極推進(jìn)其在脈搏、呼吸等人體生理體征監(jiān)測(cè)、步姿與手勢(shì)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別等方向上的應(yīng)用，并取得了一定的研究成果與獎(jiǎng)勵(lì)，以第一作者（共一、通訊）在本領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外重要期刊Nano Energy、Advanced Fiber Materials、Chemical Engineering Journal、Advanced Electronic Materials、Advanced Materials Interfaces 、Nanoscale等發(fā)表SCI論文23篇，其中影響因子大于10的中科院一區(qū)Top論文10篇；申請(qǐng)發(fā)明專利12項(xiàng)，授權(quán)4項(xiàng)；受邀擔(dān)任國(guó)際SCI檢索期刊Nano Energy、ACS Applied Materials & Interfaces、Advanced Materials Interfaces、Measurement、Journal of Physics D: Applied Physics等的審稿人；獲得天津市創(chuàng)新獎(jiǎng)學(xué)金1次（2022年），天津市王克昌文化科技獎(jiǎng)學(xué)金1次，博士研究生國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金2次（2021年與2022年）、河北省優(yōu)秀研究生畢業(yè)生1次（2023年），河北工業(yè)大學(xué)學(xué)術(shù)之星1次（2022年）；多次參加學(xué)術(shù)會(huì)議并做分會(huì)場(chǎng)報(bào)告。個(gè)人主頁(yè)：https://faculty.ujn.edu.cn/wangpeng1/zh_CN/index/149227/list.
