給機(jī)器人“穿上”具備良好柔韌性、高靈敏度的“電子皮膚”，使機(jī)器人像人一樣敏感獲知環(huán)境信息，并做出相應(yīng)反應(yīng)。目前，哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海校區(qū)材料科學(xué)與工程學(xué)院王華濤副教授課題組宣布，“基于石墨納米片/聚氨酯納米復(fù)合材料的高柔性、高靈敏度、可穿戴的‘電子皮膚’”已具備工業(yè)化大量生產(chǎn)的條件。據(jù)了解，相關(guān)成果已發(fā)表在國(guó)際著名期刊《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)—應(yīng)用材料與界面》上。

近幾年柔性電子材料的研究取得了很大進(jìn)步，關(guān)于石墨烯等新材料的研究異?；馃帷Ｈ嵝噪娮硬牧暇哂懈哽`敏度、可彎折等優(yōu)點(diǎn)，具有可穿戴性，可應(yīng)用于各類柔性傳感器，如壓力傳感器、觸覺(jué)傳感器、氣體分子傳感器等。王華濤告訴記者，課題組通過(guò)一系列封裝工藝，把石墨納米片加入到彈性高分子體系里，形成一種高柔性、高靈敏度的“電子皮膚”，厚度僅為40微米，接近一根頭發(fā)絲粗細(xì)。

這種新型柔性電子皮膚在不同的應(yīng)力應(yīng)變條件下均有良好的響應(yīng)，在可穿戴電子領(lǐng)域里將會(huì)有廣闊的應(yīng)用空間。為假肢制造、機(jī)器人設(shè)計(jì)、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域搭起了橋梁。王華濤表示，該課題突破了石墨納米片的制備技術(shù)、石墨納米片與高分子均勻分散技術(shù)、成膜技術(shù)三大難題，與以往僅局限于實(shí)驗(yàn)室研究的電子皮膚相比，該研究還提供了一種可以大量生產(chǎn)的工藝，這對(duì)于柔性電子器件的發(fā)展具有重要意義。

近年來(lái)，關(guān)于石墨烯的電子皮膚研究還有哪些呢？我們一起來(lái)看看。

1.利用“石墨烯海綿”制作人造電子皮膚

該研究工作將向研發(fā)柔性可伸縮變形、高壓力敏感性的超薄傳感器發(fā)展，并逐步實(shí)現(xiàn)集對(duì)壓力、溫度、濕度、酸堿度、光、電、磁敏感為一體的超薄人造電子皮膚，使未來(lái)的機(jī)器人可以像人類一樣感受到外界環(huán)境的各種變化。但人造電子皮膚的設(shè)計(jì)制備難度非常大，比以往硅基集成電路要求更加苛刻，要求器件中所有的部件（像電池、晶體管，導(dǎo)線等）都具有可伸縮變形的能力。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏教授課題組利用“石墨烯海綿”克服了以上難題。俞教授課題組在彈性海綿的制備上積累了大量經(jīng)驗(yàn)，此類“彈性海綿”往往以銀線為模板，葡萄糖為碳源并進(jìn)行水熱碳化和高溫處理而得到的。這種由納米級(jí)碳纖維構(gòu)成的海綿具有良好的彈性，并且電阻隨著形變而變化，是良好的壓力傳感器。電阻變化的機(jī)理是碳纖維之間的接觸點(diǎn)隨海綿的形變而變化，從而導(dǎo)致電阻隨著海綿的形變而變化。而具有良好的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的商業(yè)的海棉具有非常好的彈性，并且在壓縮的過(guò)程中，海綿中纖維網(wǎng)絡(luò)會(huì)相互接觸，同先前制備的彈性海綿非常類似。如果以商業(yè)海綿為原材料制備壓力傳感器，不僅成本就會(huì)大大降低，而靈敏度和耐用性有可能得以提升。值得指出的是，海綿屬于絕緣體，如何使海綿導(dǎo)電是個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題。而在前期的工作中，研究人員已成功解決該難題。

2.石墨烯變色電子皮膚研制成功，擁有變色能力將成為現(xiàn)實(shí)

眾所周知，自然界很多動(dòng)物都有一種人類無(wú)法復(fù)制的本領(lǐng)，就是變色！比如變色龍，章魚(yú)以及魷魚(yú)等。在遇到敵人追捕或感受到威脅時(shí)，它們通過(guò)改變皮膚的顏色巧妙地偽裝自己。而當(dāng)碰到青睞的異性時(shí)，皮膚會(huì)變得更加鮮艷以提高魅力。有時(shí)候，當(dāng)身體溫度改變時(shí)，它們皮膚的顏色也會(huì)改變。

科學(xué)家們一直在嘗試復(fù)制這種能力。現(xiàn)有的人工皮膚只有在產(chǎn)生極大的機(jī)械形變時(shí)才會(huì)顯示出肉眼可見(jiàn)的顏色變化。不過(guò)，最近來(lái)自清華大學(xué)、北京大學(xué)以及中科院等科研院所的幾位科學(xué)家研制出了一種新的交互式電子皮膚，大大降低了可見(jiàn)色變所需的外界條件。這一成果也將會(huì)用于機(jī)器人、假肢和其他穿戴式設(shè)備。

這個(gè)新的電子皮膚的材料主要是石墨烯，由高靈敏度的電阻應(yīng)變傳感器和可拉伸的有機(jī)電致變色器件構(gòu)成。相關(guān)論文近日發(fā)表在《2DMaterials》雜志上。

最后，楊博士最后補(bǔ)充道：“雖然之前很少有新聞來(lái)報(bào)道我們的這種在如此小的應(yīng)變范圍內(nèi)就可以產(chǎn)生交互式顏色變化的電子皮膚，但是它將來(lái)在穿戴式設(shè)備，機(jī)器人和假肢中的應(yīng)用前景將會(huì)非常廣闊。”

整理：ChemicalBook中文編輯部

編輯人員：娜米