具有個人熱管理能力的離子電子觸覺傳感器

熱設(shè)計 2023-11-08

來源：Nano Energy

原文：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.109006

01 背景介紹

柔性傳感器作為實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知和信息交互的關(guān)鍵傳感器件，由于其它們在可穿戴醫(yī)療保健監(jiān)測、運(yùn)動訓(xùn)練、醫(yī)療診斷和治療、人機(jī)交互等方面的新興潛在應(yīng)用。迄今為止，通過基于電阻式、電容式、壓電式和摩擦電式傳感器的多樣化傳感機(jī)制構(gòu)建不同的傳感結(jié)構(gòu)，觸覺傳感器已經(jīng)取得了長足的發(fā)展并使用各種聚合物材料，如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰亞胺（PI）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和Ecoflex 作為彈性體基材。然而，除了傳感能力和柔性結(jié)構(gòu)外，還必須考慮長期貼膚傳感應(yīng)用時的佩戴舒適度。傳統(tǒng)的聚合物基材具有致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)是氣密的，從而阻礙了覆蓋的皮膚與外部環(huán)境之間的正常質(zhì)量微交換。因此，需要?dú)怏w和水蒸氣的滲透來維持合適的熱微環(huán)境，以平衡皮膚表面因排汗而流失的水分和熱量，否則濕氣會在覆蓋部位積聚成大量液體，導(dǎo)致不舒適。覆蓋皮膚的熱生理感覺，例如潮濕、發(fā)紅和炎癥。這是因?yàn)槠つw需要保持約 30-34 °C 的狹窄溫度范圍，以獲得細(xì)胞和組織的最佳生物功能。過熱或過冷都會對皮膚的健康狀況產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，累積的流動液體和增加的點(diǎn)溫度也會對柔性傳感器的物理形成、傳感性能和可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，基于具有獨(dú)特透氣性和透濕性的織物或多孔平臺構(gòu)建柔性傳感器以維持正常的個人熱管理已成為以舒適健康的貼膚穿著為目的的新的發(fā)展趨勢。過熱或過冷都會對皮膚的健康狀況產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，基于具有獨(dú)特透氣性和透濕性的織物或多孔平臺構(gòu)建柔性傳感器以維持正常的個人熱管理已成為以舒適健康的貼膚穿著為目的的新的發(fā)展趨勢。可穿戴傳感器緊密附著在不同身體部位的皮膚上，用于生理監(jiān)測和運(yùn)動檢測。除了傳感性能和柔性結(jié)構(gòu)之外，保持覆蓋的皮膚與外部環(huán)境之間的正常質(zhì)量微交換以及適當(dāng)?shù)纳崮芰τ谑孢m的佩戴也非常重要。

02 成果掠影

近期，河北工業(yè)大學(xué)孟垂舟老師研究團(tuán)隊(duì)報告了一種新型柔性透氣觸覺傳感器的設(shè)計和制造，該傳感器具有獨(dú)特的個人熱管理能力。該傳感器采用微結(jié)構(gòu)的超級電容離子電子傳感結(jié)構(gòu)，將一個多孔聚氨酯/離子液體海綿與兩個電紡熱塑性聚氨酯/MXene納米纖維電極夾在中間，以提高靈敏度（～105.77 kPa -1）。此外，聚合物的固有彈性性質(zhì)賦予整個裝置優(yōu)異的機(jī)械柔韌性，基底的織物和多孔內(nèi)部開放式結(jié)構(gòu)提供良好的透氣性和透濕性（～48 mm s -1）保持正常的散熱能力（比氣密膜覆蓋約低1℃），不會引起皮膚發(fā)紅或發(fā)炎。此外，高太陽反射率（~0.98）二氧化硅微粒被納入發(fā)射性（~0.94）熱塑性聚氨酯納米纖維中，以在戶外場景中實(shí)現(xiàn)有效的被動冷卻效果（比織物衣服覆蓋的溫度低~3℃）。所開發(fā)的柔性透氣觸覺傳感器及其設(shè)計和制造策略為開發(fā)具有獨(dú)特的個人熱管理能力的先進(jìn)可穿戴電子產(chǎn)品提供了一條有前途的途徑，以實(shí)現(xiàn)舒適的皮膚附著傳感應(yīng)用。研究成果以“Flexible and breathable iontronic tactile sensor with personal thermal management ability for a comfortable skin-attached sensing application”為題發(fā)表于《Nano Energy》。

03 圖文導(dǎo)讀