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- 發布時間2024-05-21 16:16
- 發布人金彩集(ji)團
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柔軟的皮膚電極在可穿(chuan)戴技術中發揮著重要作用，需要諸如佩戴舒適性、高導電性和透氣性等屬性。然而，傳統的制造方法通常會損害簡單性、成本效益或機械彈性。在這項研究中，提出了一種機械堅固且透氣的皮膚電極，該電極將閃存石墨烯（FG）與仿生裝甲設計相結合。FG 通過閃速焦耳加熱工藝合成，具有小尺寸和亂層排列，非常適合組裝具有納米孔結構的導電網絡。采用絲網印刷將FG組件嵌入聚丙烯熔噴非織造布（PPMF）的框架中，形成具有低方塊電阻（125.2±4.7Ω/□）和高透氣性（≈10.08）的柔軟皮膚電極毫克·厘米?2·小時?1）。“鎧甲”框架通過附著力、耐洗性和 10,000 次機械接觸摩擦測試，確保持久的機械穩定性。FG/PPMF 電極展示了心電圖 (ECG) 和肌電圖 (EMG) 監測功能，并可用作自供電摩擦電傳感器，有望實現可擴展、高性能的靈活傳感應用，從而豐富集成可穿戴技術的前景。
圖1. FG/PPMF 電(dian)(dian)極的(de)(de)設(she)計、結(jie)構和(he)功能(neng)具有出色(se)的(de)(de)機(ji)械強度(du)和(he)透氣性(xing)(xing)(xing)。a）“裝甲”策略(lve)是為(wei)(wei)FG/PPMF電(dian)(dian)極設(she)計的(de)(de)，PPMF作為(wei)(wei)內部FG組件的(de)(de)保護(hu)層(ceng)，形(xing)(xing)(xing)成(cheng)多孔導電(dian)(dian)網絡(luo)。它類(lei)(lei)似(si)于(yu)小(xiao)龍(long)蝦的(de)(de)外(wai)殼，保護(hu)著小(xiao)龍(long)蝦的(de)(de)肌(ji)肉。FG 的(de)(de)亂層(ceng)性(xing)(xing)(xing)質有助于(yu)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)這種(zhong)多孔結(jie)構。FG 以(yi)墨水形(xing)(xing)(xing)式在 PPMF 內部原位組裝，形(xing)(xing)(xing)成(cheng) FG/PPMF。b) FG/PPMF 受(shou)益(yi)于(yu)周圍 PPMF 的(de)(de)保護(hu)，屏蔽導電(dian)(dian)功能(neng)材料免受(shou)直接外(wai)力的(de)(de)影(ying)響。它還(huan)具有優異的(de)(de)透氣性(xing)(xing)(xing)和(he)防(fang)水性(xing)(xing)(xing)。c) FG/PPMF 在人(ren)類(lei)(lei)監控和(he)人(ren)機(ji)交(jiao)互(hu)領域具有巨大潛力。
圖(tu)(tu)2. FG 的制(zhi)備和(he)表征(zheng)。a) 使(shi)用CB作(zuo)為原料，通(tong)過FJH工藝生(sheng)產FG的示意圖(tu)(tu)。b,c) 不同放大(da)倍(bei)數(shu)下 FG 的 HR-TEM 圖(tu)(tu)像(xiang)。d,e) CB (d) 和(he) FG (e) 的 SEM 圖(tu)(tu)像(xiang)。f) XPS C 1 s 光譜，g) 拉曼光譜，h) CB 和(he) FG 的 XRD 圖(tu)(tu)案。
圖3. 絲(si)網(wang)印(yin)刷(shua)FG/PPMF電(dian)(dian)極(ji)(ji)的(de)(de)制備(bei)及球磨時(shi)間的(de)(de)優化。a) 通過絲(si)網(wang)印(yin)刷(shua)制備(bei) FG/PPMF 電(dian)(dian)極(ji)(ji)的(de)(de)程序。b）不(bu)同(tong)球磨時(shi)間下(xia)FG油(you)墨的(de)(de)流動特性以及用(yong)(yong)這(zhe)些FG油(you)墨印(yin)刷(shua)的(de)(de)PPMF相應(ying)的(de)(de)表(biao)面(mian)微觀形(xing)貌。c) 不(bu)同(tong)球磨時(shi)間對應(ying)的(de)(de)FG/PPMF電(dian)(dian)極(ji)(ji)的(de)(de)方塊電(dian)(dian)阻。d) FG PPMF 電(dian)(dian)極(ji)(ji)的(de)(de)橫(heng)截面(mian) SEM 圖像(xiang)，顯示 FG 組件深(shen)入滲透到 PPMF 農田的(de)(de)孔隙中。e) 絲(si)網(wang)印(yin)刷(shua)柔性 FG/PPMF 電(dian)(dian)極(ji)(ji)的(de)(de)光學圖像(xiang)。f) 演示用(yong)(yong)于在機械折疊下(xia)點亮 LED 的(de)(de)絲(si)網(wang)印(yin)刷(shua) FG 蛇形(xing)電(dian)(dian)路。
圖4. FG/PPMF 電極(ji)的(de)(de)透氣性(xing)和長期(qi)佩戴(dai)舒適度測試。a）FG/PPMF電極(ji)的(de)(de)透氣機制示(shi)意圖，這可(ke)歸因于FG的(de)(de)亂(luan)層排列。b-c) FG/PPMF 電極(ji)中 FG 組件的(de)(de) SEM 圖像。d) 測量水蒸氣滲透性(xing)的(de)(de)實驗(yan)裝(zhuang)置。e) 覆(fu)(fu)蓋、未覆(fu)(fu)蓋、PPMF 和 FG/PPMF 的(de)(de)水蒸氣透過率與經過時間的(de)(de)函數關系(xi)。f) 照片顯示(shi)了 FG/PPMF 的(de)(de)透氣性(xing)。g) 顯示(shi)覆(fu)(fu)蓋有(you) Ag/AgCl 凝(ning)膠電極(ji)和 FG/PPMF 電極(ji)的(de)(de)志愿者前臂皮膚狀(zhuang)況(kuang)的(de)(de)光(guang)學圖像。
圖5. FG/PPMF電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)機械(xie)穩定性和防(fang)水(shui)(shui)性能。a) FG/PPMF 電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)在不同彎(wan)(wan)曲(qu)程(cheng)度下的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)對(dui)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)變(bian)化。b) FG/PPMF 電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)在 1000 次彎(wan)(wan)曲(qu)循(xun)(xun)環后(hou)的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)對(dui)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)變(bian)化。c) FG/PPMF 電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)在 10000 次機械(xie)接觸循(xun)(xun)環后(hou)的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)對(dui)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)變(bian)化。d) 描繪使(shi)用膠帶對(dui) FG/PPMF 電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)進行粘附力測試程(cheng)序的(de)(de)(de)圖像。e) 附著力測試前后(hou)FG/PPMF電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)薄層電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)。f) PPMF 和 FG/PPMF 電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)水(shui)(shui)接觸角。g) FG/PPMF 電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)自(zi)清潔能力的(de)(de)(de)演示(shi)(shi)。h) 自(zi)清潔測試前后(hou)FG/PPMF電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)方(fang)塊(kuai)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)。i) FG/PPMF 電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)浸(jin)入水(shui)(shui)中后(hou)的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)對(dui)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)變(bian)化。插(cha)圖顯(xian)示(shi)(shi)了 FG/PPMF 電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)浸(jin)入水(shui)(shui)中一周的(de)(de)(de)照片。j) 模(mo)擬具有水(shui)(shui)流剪切的(de)(de)(de)洗衣機環境(jing)的(de)(de)(de)多次洗滌(di)測試后(hou)FG/PPMF電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)對(dui)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)變(bian)化。
圖6. 使用 FG/PPMF 電(dian)極貼片進行 ECG 和 EMG 測量。 a) FG/PPMF電(dian)(dian)極貼片監測電(dian)(dian)生理信號時的示意圖和(he)等效電(dian)(dian)路(lu)模型。 b) FG/PPMF 電極貼片收集的生理(li)電信號的處理(li)示意圖。 c) 使用不同狀態的(de)志愿者的(de)FG/PPMF電極貼片進(jin)行心電圖(tu)記錄：直立、跑(pao)步、跑(pao)步時出汗。右子圖顯示標準特征峰(feng)。 d) 當(dang)志愿者分(fen)別(bie)舉起重 2.5 kg、5 kg 和 10 kg 的(de)啞鈴時使用(yong) FG/PPMF 電(dian)極(ji)貼片進行肌電(dian)圖記(ji)錄。 e) 使用 FG/PPMF 電極貼片收集的 EMG 信號實時控(kong)制(zhi)機械臂。 f) 通(tong)過(guo)肌電信(xin)號調制(zhi)無人機的運(yun)動狀(zhuang)態。
圖7. FG/PPMF 電(dian)極作為摩(mo)擦納米發電(dian)機 (TENG) 傳感器的(de)演示。 a) 雙電極模(mo)式(shi)下的 FG/PPMF TENG 示(shi)意圖。 b,c) 雙電(dian)極模式下(xia)FG/PPMF TENG在不同壓力條件下(xia)的(de)開路(lu)電(dian)壓和短路(lu)電(dian)流(b)以及轉(zhuan)移電(dian)荷(he)量(c)。 d) 光學圖像顯示(shi)雙電(dian)極模式(shi) FG/PPMF TENG 收集的能量(liang)，能夠照亮(liang)多(duo)達 150 個 LED。 e) 將 FG/PPMF TENG 集成到手套中，輕敲 PET 以用莫爾斯電碼傳達“CUG”消息。 f) 將 FG/PPMF TENG 集成(cheng)到襪子中以監(jian)測不(bu)同(tong)的步行條(tiao)件。
相關科研(yan)成果由中(zhong)國地質大(da)學Heng Deng等人于2024年發表(biao)在Advanced Science（//doi.org/10.1002/advs.202402759）上。原文：Bioinspired Robust Gas-Permeable On-Skin Electronics: Armor-Designed Nanoporous Flash Graphene Assembly Enhancing Mechanical Resilience
來(lai)源：石墨(mo)烯(xi)研究
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