研究背景
生物电子学、智能家居、智能机器人、人机界面的快速发展，大大促进了柔性压力传感器的市场需求。基于压阻效应的压阻式传感器因其灵敏度高、信号响应快、制造工艺简单、传感性能稳定而被采用。最近关于柔性压阻传感器设计的研究主要集中在敏感层的微结构设计上。实践证明，柔性基材的微结构设计可以显著提高传感器的传感性能。一些微结构因其制备工艺简单而受到特别关注，其中最典型的是由砂纸制成的spinosum结构。虽然压阻传感器的微结构研究取得了一些进展，但理想的柔性压阻传感器只具有优良的传感性能，这还远远不够。在实际应用中，柔性压阻传感器不可避免地面临复杂的工作环境，敏感层容易受到各种外部机械损伤。此外，大多数柔性传感器的制造工艺限制了对柔性基材的选择。所有这些问题都阻碍了柔性压阻传感器的广泛应用。MXene作为一种二维片状材料，很容易与其他柔性基底材料结合形成敏感层，可以得到一些基于MXene的具有微观结构的敏感层，可以有效提高传感器的性能。柔性压阻传感器的不同应用场景对电极的柔性基底材料提出了各种要求。其基底材料主要有聚酰亚胺(PI)、聚二甲基硅氧烷和聚对苯二甲酸乙二醇酯。自愈材料由于能够为传感器提供较长的工作寿命和良好的机械稳定性，引起了研究人员的关注。聚氨酯(PU) 由于其氢键的作用可以自行愈合，可以促进各种柔性电子器件的研究和发展，具有广泛的应用前景。因此，必须建立一种简单、低成本、通用的方法来制备具有高柔性和高导电性的柔性电极。制造柔性压阻式传感器的最终目的是为了实际应用。触觉反馈是传感器实际应用的一个基本功能。我们必须赋予机器人触觉感知和反馈功能，使其像人一样工作。传感器的触觉反馈可以通过将传感器与电路相结合来实现。然而，在大多数与柔性压阻传感器有关的工作中，触觉反馈很少被提及。
研究成果
由于其潜在的应用，如人类活动监测、人机互动和机器人技术，高性能的柔性压力传感器已经吸引了大量的关注。然而，大多数高性能的柔性压力传感器制造起来很复杂，成本很高。这些传感器在外部机械损坏后无法修复，而且缺乏触觉反馈应用。在此，郑州大学郭海中、武汉大学王子昱、郑州大学刘伟杰教授等人联合通过使用一种低成本和通用的喷涂方法，制造了一种基于MXene/聚氨酯(PU) /数字间电极的高性能柔性压力传感器。喷涂在spinosum结构PU和其他任意柔性基材(以聚酰亚胺和薄膜过滤器为代表)上的MXene分别作为敏感层和数字间电极。由于敏感层和数字间电极之间的相互作用，该传感器显示了超高的灵敏度(高达509.8 kPa-1)、极快的响应速度(67.3 ms)、 恢复速度(44.8 ms)和良好的稳定性(10000次)。此外，聚氨酯的氢键使该装置具有自愈功能。该传感器还可以与一个电路集成，实现触觉反馈功能。这种基于MXene的高性能压力传感器，连同其设计/制造，有望广泛应用于人体活动检测、电子皮肤、智能机器人等许多方面。相关研究以“High-Performance Flexible Pressure Sensor with a Self-Healing Function for Tactile Feedback”为题发表在Advanced Science期刊上。
研究亮点
1. 提出了一种基于MXene的高性能柔性，具有自愈功能的压阻式传感器，通过简单的全喷涂方法进行触觉反馈。2. 通过低成本和通用的模板喷涂方法制备了基于MXene的柔性数字间电极。用这种方法制备的数字间电极的柔性基材的选择可以是任意的。3. 器件灵敏度可达到509.8和408.4 kPa-1，相应的响应时间为67.3和68.4 ms，恢复时间为44.8和46.5 ms。此外，传感器的电流在10 000次压力循环后仍保持稳定。敏感层经历了18小时的"切割愈合"后, 传感器的灵敏度仍可达到456.9 kPa-1。4. 在实际应用中，该传感器不仅可以检测人体活动，还可以与软件和硬件设计相结合，使操纵器实现触觉反馈功能。
图文导读
Figure 1. a) Fabrication procedure of the fully sprayed MXene-based high-performance pressure sensor. b) Schematic diagram of the self-healing mechanism of the sensitive layer.
Figure 2. a) TEM image of the MXene nanosheets, and the inset is the corresponding SAED pattern. b) energy dispersive spectrometer (EDS) mapping images of MXene (Ti3C2Tx). c) AFM image of the MXene nanosheet. d) XRD pattern of the MAX phase (Ti3AlC2) and MXene Ti3C2Tx nanosheet. e–j)SEM images of the sensitive layers with the different spinosum structures (nos.100, 180, 280, 400, 600, and 800). k) EDX mapping images of no. 280sensitive layer.
Figure 3. Sensing properties of the MXene-based pressure sensor (PI as the interdigital electrodes substrate).
Figure 4. Working mechanism of the fully sprayed MXene-based pressure sensor.
Figure 5. Applications of the fully sprayed MXene-based pressure sensor in minimum detectable pressure and real-time monitoring of human activities.
Figure 6. Applications of the fully sprayed MXene-based pressure sensor in the tactile sensing.
总结与展望
综上所述，这项工作报告了一种简单而通用的方法来制备用于触觉反馈的具有自愈功能的高性能压力传感器。该装置由spinosum MXene/PU和基于MXene的数字间电极组成，这两部分的相互作用产生了优异的性能。该传感器(PI 作为数字间电极基底)的灵敏度高达509.8 kPa-1，响应和恢复时间分别为67.3和44.8 ms。经过10,000次加载-卸载循环后，该传感器仍然保持着良好的稳定性。该传感器还拥有自我修复功能。在对敏感层进行切割愈合后，传感器的灵敏度降低低于16.2%。触觉反馈也是通过将传感器连接到一个电路上实现的。总的来说，作者用一种低成本和通用的方法制造了-个高性能的压力传感器。该传感器显示出良好的自我修复功能，并可用于触觉反馈，它在机器人和电子皮肤方面具有潜在的应用。
文献链接
High-Performance Flexible Pressure Sensor with a Self-Healing Function for Tactile Feedback， Adv. Sci. 2022, 2200507，DOI: 10.1002/advs.202200507https://doi.org/10.1002/advs.202200507
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