近日，河海大學(xué)、江蘇省特種機器人技術(shù)重點實驗室王延杰教授團隊在功能材料領(lǐng)域權(quán)威期刊《Advanced Functional Materials》上發(fā)表題為“Ionic Flexible Sensors: Mechanisms, Materials, Structures, and Applications”的綜述文章。論文系統(tǒng)總結(jié)了離子柔性傳感器在傳感機理、組成、結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用方面的最新研究進展。

 鹽沼水動力及生態(tài)地貌過程示意圖

人體皮膚是人體最大的感覺器官，可以感知壓力、應(yīng)變、溫度和濕度。通過模仿人類皮膚的觸覺感知功能，基于離子遷移和離子重分布機制的離子柔性傳感器得到了飛速發(fā)展。與傳統(tǒng)柔性傳感器相比，離子柔性傳感器不僅具有高靈敏性、高抗噪性、高分辨率，且具有自修復(fù)、自供電和生物相容性等生物學(xué)特性，在電子皮膚、人機交互、可穿戴醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用及學(xué)術(shù)價值。該文詳細回顧了幾種典型的離子柔性傳感機制及結(jié)構(gòu)組成，并通過耦合模型討論了其傳感性能的影響因素，包括超級電容界面離子傳感效應(yīng)、壓電式離子傳感效應(yīng)和壓阻式離子傳感效應(yīng)。其次，基于可生物降解性、自愈性和多模態(tài)性等生物學(xué)特性，重點討論了固體離子聚合物基體、金屬基電極、非金屬基電極和微結(jié)構(gòu)設(shè)計在離子柔性傳感器中的應(yīng)用及改進策略。然后，探討了離子柔性傳感器在人工皮膚、人機交互技術(shù)、可穿戴設(shè)備等相關(guān)領(lǐng)域的典型應(yīng)用。最后，提出了離子柔性傳感器當前面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展趨勢，為離子傳感器的發(fā)展提供可參考的技術(shù)路線圖。 

該工作是團隊近期關(guān)于離子柔性器件相關(guān)研究的最新進展之一。近年來，團隊對離子柔性器件（包括離子柔性傳感器和離子柔性驅(qū)動器）的機理、制備、性能改進及模型應(yīng)用做了一系列的探索。在制備工藝方面，團隊提出一種電極界面的新制備工藝，實現(xiàn)枝狀電極的可控生長，有效增強傳感信號與驅(qū)動性能（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 30258），并闡明了含水量對離子驅(qū)動器性能的影響規(guī)律，提出了電極優(yōu)化方法，實現(xiàn)了驅(qū)動性能提升（Electrochim Acta 2014, 129, 450-8）。在傳感性能探究方面，團隊揭示了自供電離子聚合物傳感器濕度感知機理，實現(xiàn)了電壓、電阻、電容等多物理參數(shù)感知模式（Sensors & Actuators: B. Chemical 2021, 345 ,130421和RSC Adv. 2020, 10, 27447-27455）；同時，建立了基于N-P方程的離子聚合物傳感器力電耦合模型，并通過磁場、微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對自供電離子聚合物傳感器應(yīng)變傳感性能110%的提升（Smart Mater. Struct. 2021, 30 , 065013和Sensors 2019, 19, 2104）。在應(yīng)用方面，團隊研發(fā)了可用于醫(yī)療手術(shù)和人工心臟的活性導(dǎo)管和微泵樣機（Appl Bionics Biomech, 2018, 2018:4031705），并開發(fā)了一種離子簇團聚機理啟發(fā)的球形變剛度軟體抓手（Soft Robotics 2021）。相關(guān)研究成果獲江蘇省科學(xué)技術(shù)獎三等獎。

該研究聯(lián)合了西安交通大學(xué)，南方科技大學(xué)，英國斯旺西大學(xué)多名國際學(xué)者，受到了國家重點研發(fā)計劃（2020YFB1312900）、國家自然科學(xué)基金（51975184和52105573）等項目的支持。

Advanced Functional Materials是英國John Wiley & Sons Ltd.出版社創(chuàng)辦的材料科學(xué)領(lǐng)域的旗艦期刊，主要刊載新材料科學(xué)、物理、化學(xué)、能源等多個學(xué)科的前沿研究成果，其刊文質(zhì)量得到了學(xué)術(shù)界高度認可。該期刊2020年影響因子為18.808。

論文DOI：

https://doi.org/10.1002/adfm.202110417