超可拉伸摩擦纳米集成自供电柔性电子皮肤与脑机康复系统研究

### 超可拉伸摩擦纳米集成自供电柔性电子皮肤与脑机康复系统研究 #### 超可拉伸摩擦纳米集成自供电柔性电子皮肤 电子皮肤是一种集成了热、力、感觉等多种感官的新型皮肤。超可拉伸摩擦纳米集成自供电柔性电子皮肤在多个方面展现出了独特的优势。 1. **光催化实验** 为了研究其光催化性能，进行了一系列实验。在实验中，将紫外线灯功率恒定保持在100W，同时为超可拉伸摩擦纳米集成自供电柔性电子皮肤分配了八种不同的超声功率（0W、50W、100W、150W、200W、250W、300W、350W、400W），以催化亚甲基蓝（MB）溶液的光降解，并由电子皮肤记录相关数据。实验结果表明，随着超声辐射功率的增加，超可拉伸摩擦纳米集成自供电柔性电子皮肤的压电光催化活性增强。不过，当超声功率超过300W时，会导致该电子皮肤系统发生较大变形。综合考虑，最合适的超声功率为200W，紫外线功率为100W。 以下是实验中不同功率下的相关性能表现表格： | 超声功率（W） | 压电光催化活性 | 系统变形情况 | | ---- | ---- | ---- | | 0 | 较低 | 无明显变形 | | 50 | 有所提升 | 无明显变形 | | 100 | 进一步提升 | 无明显变形 | | 150 | 继续提升 | 无明显变形 | | 200 | 较高 | 无明显变形 | | 250 | 高 | 轻微变形 | | 300 | 高 | 较大变形 | | 350 | 高 | 较大变形 | | 400 | 高 | 较大变形 | 2. **传感与拉伸性能** - **压电电压输出**：通过聚偏氟乙烯（PVDF）聚合物的压电性实现精确的压电电压输出。在室温30摄氏度下，对超可拉伸摩擦纳米集成自供电柔性电子皮肤施加外部编程系统，分别记录其弯曲角度和频率。 - **降解率**：该电子皮肤对亚甲基蓝的降解率达到98%，对刚果红的降解率为90%，对苯酚红的降解率为73%，这充分验证了其具有较高的压电光催化活性。 - **抑菌性能**：该系统能够有效抑制细菌生长，在自然生长环境、紫外线环境和超声辐照环境下，其细菌数量均低于自然环境中的细菌数量。 3. **应用研究** - **仿生皮肤与生理信号监测**：此电子皮肤项目主要从两个方面开展工作。一方面是构建仿生皮肤，它由压力、化学、电化学和温度传感器相互匹配组成，所有传感器在同一平面上呈级联排列，其传感特性应与人类皮肤相匹配；另一方面是监测人体的一些生理信号，具体方法是让两个电极在皮肤上摩擦，使电极与皮肤接触，从而使设备在两个电极之间产生摩擦运动，将机械能和动能转化为电能，该过程无需外部电源。系统通过静电和系统感应来工作。 - **接近传感器功能**：与单个超可拉伸摩擦纳米集成自供电柔性电子皮肤传感器不同，接近传感器可以通过映射数据识别外部物体的温度、形状和位置，并在接触到异物时发出警报。 - **传感器阵列应用**：研究将一个由70×94个传感器单元组成的阵列集成到硬件中。该传感器阵列在平面静止和变形活动状态下具有空间传感和定位能力。例如，当手指靠近手腕右侧并在距离约1.5厘米处停止时，超可拉伸摩擦纳米集成自供电柔性电子皮肤平面传感器阵列的电流图变化能够清晰显示手指的位置，这验证了传感器可以在三维空间中识别和定位手部位置。 - **不同部位测试**：将该电子皮肤分别附着在手指、指关节和手掌上进行测试。监测手指和关节的响应率分别为37%和49%，这些结果都进一步验证了传感器在三维空间中识别和定位手部位置的能力。 - **静电感应发电**：人体皮肤作为正级摩擦电材料，电子皮肤作为负级摩擦电材料。当人体皮肤与电子皮肤分离时，由于静电感应会产生少量电信号电子，从而为超可拉伸摩擦纳米集成自供电柔性电子皮肤系统提供电信号。 4. **材料特性与优势** 摩擦纳米自供电透明抗菌电子皮肤系统具有高度的适用性、可拉伸性、可扩展性和生物相容性。其光透射系数大于95，延展性大于300%，耐高温达120°C，电导率小于2%，并具有可控降解特性。为了进一步改善其性能，项目提出使用银纳米纤维（Ag NFs）网络作为热源，将其表面加热至60°C，然后牢固地负载在丝素蛋白复合膜（SFCM）表面，改变其性能后冷却成膜，这样可以显著提高其导电性、可降解性和柔韧性。丝绸因其天然、无毒、透气、无炎症和可降解的特性，是一种理想的生物医学材