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- 發(fā)布時間2024-05-21 16:16
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柔軟的皮膚電極在可穿戴技術(shù)中發(fā)揮著重要作用，需要諸如佩戴舒適性、高導(dǎo)電性和透氣性等屬性。然而，傳統(tǒng)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(shè)計相結(jié)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(jié)構(gòu)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。采用絲網(wǎng)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(wěn)定性。FG/PPMF 電極展示了心電圖 (ECG) 和肌電圖 (EMG) 監(jiān)測功能，并可用作自供電摩擦電傳感器，有望實現(xiàn)可擴展、高性能的靈活傳感應(yīng)用，從而豐富集成可穿戴技術(shù)的前景。
圖1. FG/PPMF 電極的設(shè)計、結(jié)構(gòu)和功能具有出色的機械強度和透氣性。a）“裝甲”策略是為FG/PPMF電極設(shè)計的，PPMF作為內(nèi)部FG組件的保護層，形成多孔導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。它類似于小龍蝦的外殼，保護著小龍蝦的肌肉。FG 的亂層性質(zhì)有助于形成這種多孔結(jié)構(gòu)。FG 以墨水形式在 PPMF 內(nèi)部原位組裝，形成 FG/PPMF。b) FG/PPMF 受益于周圍 PPMF 的保護，屏蔽導(dǎo)電功能材料免受直接外力的影響。它還具有優(yōu)異的透氣性和防水性。c) FG/PPMF 在人類監(jiān)控和人機交互領(lǐng)域具有巨大潛力。
圖2. FG 的制備和表征。a) 使用CB作為原料，通過FJH工藝生產(chǎn)FG的示意圖。b,c) 不同放大倍數(shù)下 FG 的 HR-TEM 圖像。d,e) CB (d) 和 FG (e) 的 SEM 圖像。f) XPS C 1 s 光譜，g) 拉曼光譜，h) CB 和 FG 的 XRD 圖案。
圖3. 絲網(wǎng)印刷FG/PPMF電極的制備及球磨時間的優(yōu)化。a) 通過絲網(wǎng)印刷制備 FG/PPMF 電極的程序。b）不同球磨時間下FG油墨的流動特性以及用這些FG油墨印刷的PPMF相應(yīng)的表面微觀形貌。c) 不同球磨時間對應(yīng)的FG/PPMF電極的方塊電阻。d) FG PPMF 電極的橫截面 SEM 圖像，顯示 FG 組件深入滲透到 PPMF 農(nóng)田的孔隙中。e) 絲網(wǎng)印刷柔性 FG/PPMF 電極的光學(xué)圖像。f) 演示用于在機械折疊下點亮 LED 的絲網(wǎng)印刷 FG 蛇形電路。
圖4. FG/PPMF 電極的透氣性和長期佩戴舒適度測試。a）FG/PPMF電極的透氣機制示意圖，這可歸因于FG的亂層排列。b-c) FG/PPMF 電極中 FG 組件的 SEM 圖像。d) 測量水蒸氣滲透性的實驗裝置。e) 覆蓋、未覆蓋、PPMF 和 FG/PPMF 的水蒸氣透過率與經(jīng)過時間的函數(shù)關(guān)系。f) 照片顯示了 FG/PPMF 的透氣性。g) 顯示覆蓋有 Ag/AgCl 凝膠電極和 FG/PPMF 電極的志愿者前臂皮膚狀況的光學(xué)圖像。
圖5. FG/PPMF電極的機械穩(wěn)定性和防水性能。a) FG/PPMF 電極在不同彎曲程度下的相對電阻變化。b) FG/PPMF 電極在 1000 次彎曲循環(huán)后的相對電阻變化。c) FG/PPMF 電極在 10000 次機械接觸循環(huán)后的相對電阻變化。d) 描繪使用膠帶對 FG/PPMF 電極進行粘附力測試程序的圖像。e) 附著力測試前后FG/PPMF電極的薄層電阻。f) PPMF 和 FG/PPMF 電極的水接觸角。g) FG/PPMF 電極自清潔能力的演示。h) 自清潔測試前后FG/PPMF電極的方塊電阻。i) FG/PPMF 電極浸入水中后的相對電阻變化。插圖顯示了 FG/PPMF 電極浸入水中一周的照片。j) 模擬具有水流剪切的洗衣機環(huán)境的多次洗滌測試后FG/PPMF電極的相對電阻變化。
圖6. 使用 FG/PPMF 電極貼片進行 ECG 和 EMG 測量。 a) FG/PPMF電極貼片監(jiān)測電生理信號時的示意圖和等效電路模型。 b) FG/PPMF 電極貼片收集的生理電信號的處理示意圖。 c) 使用不同狀態(tài)的志愿者的FG/PPMF電極貼片進行心電圖記錄：直立、跑步、跑步時出汗。右子圖顯示標準特征峰。 d) 當志愿者分別舉起重 2.5 kg、5 kg 和 10 kg 的啞鈴時使用 FG/PPMF 電極貼片進行肌電圖記錄。 e) 使用 FG/PPMF 電極貼片收集的 EMG 信號實時控制機械臂。 f) 通過肌電信號調(diào)制無人機的運動狀態(tài)。
圖7. FG/PPMF 電極作為摩擦納米發(fā)電機 (TENG) 傳感器的演示。 a) 雙電極模式下的 FG/PPMF TENG 示意圖。 b,c) 雙電極模式下FG/PPMF TENG在不同壓力條件下的開路電壓和短路電流(b)以及轉(zhuǎn)移電荷量(c)。 d) 光學(xué)圖像顯示雙電極模式 FG/PPMF TENG 收集的能量，能夠照亮多達 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 集成到襪子中以監(jiān)測不同的步行條件。
相關(guān)科研成果由中國地質(zhì)大學(xué)Heng Deng等人于2024年發(fā)表在Advanced Science（https://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
來源：石墨烯研究
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