石墨烯材料的新应用 高灵敏度“电子皮肤”可以量产了

给机器人“穿上”具备良好柔韧性、高灵敏度的“电子皮肤”，使机器人像人一样敏感获知环境信息，并做出相应反应。目前，哈尔滨工业大学威海校区材料科学与工程学院王华涛副教授课题组宣布，“基于石墨纳米片/聚氨酯纳米复合材料的高柔性、高灵敏度、可穿戴的‘电子皮肤’”已具备工业化大量生产的条件。据了解，相关成果已发表在国际著名期刊《美国化学学会—应用材料与界面》上。

近几年柔性电子材料的研究取得了很大进步，关于石墨烯等新材料的研究异常火热。柔性电子材料具有高灵敏度、可弯折等优点，具有可穿戴性，可应用于各类柔性传感器，如压力传感器、触觉传感器、气体分子传感器等。王华涛告诉记者，课题组通过一系列封装工艺，把石墨纳米片加入到弹性高分子体系里，形成一种高柔性、高灵敏度的“电子皮肤”，厚度仅为40微米，接近一根头发丝粗细。

这种新型柔性电子皮肤在不同的应力应变条件下均有良好的响应，在可穿戴电子领域里将会有广阔的应用空间。为假肢制造、机器人设计、可穿戴设备等领域搭起了桥梁。王华涛表示，该课题突破了石墨纳米片的制备技术、石墨纳米片与高分子均匀分散技术、成膜技术三大难题，与以往仅局限于实验室研究的电子皮肤相比，该研究还提供了一种可以大量生产的工艺，这对于柔性电子器件的发展具有重要意义。

近年来，关于石墨烯的电子皮肤研究还有哪些呢？我们一起来看看。

1.利用“石墨烯海绵”制作人造电子皮肤

该研究工作将向研发柔性可伸缩变形、高压力敏感性的超薄传感器发展，并逐步实现集对压力、温度、湿度、酸碱度、光、电、磁敏感为一体的超薄人造电子皮肤，使未来的机器人可以像人类一样感受到外界环境的各种变化。但人造电子皮肤的设计制备难度非常大，比以往硅基集成电路要求更加苛刻，要求器件中所有的部件（像电池、晶体管，导线等）都具有可伸缩变形的能力。

中国科学技术大学俞书宏教授课题组利用“石墨烯海绵”克服了以上难题。俞教授课题组在弹性海绵的制备上积累了大量经验，此类“弹性海绵”往往以银线为模板，葡萄糖为碳源并进行水热碳化和高温处理而得到的。这种由纳米级碳纤维构成的海绵具有良好的弹性，并且电阻随着形变而变化，是良好的压力传感器。电阻变化的机理是碳纤维之间的接触点随海绵的形变而变化，从而导致电阻随着海绵的形变而变化。而具有良好的三维网络结构的商业的海棉具有非常好的弹性，并且在压缩的过程中，海绵中纤维网络会相互接触，同先前制备的弹性海绵非常类似。如果以商业海绵为原材料制备压力传感器，不仅成本就会大大降低，而灵敏度和耐用性有可能得以提升。值得指出的是，海绵属于绝缘体，如何使海绵导电是个关键性的问题。而在前期的工作中，研究人员已成功解决该难题。

2.石墨烯变色电子皮肤研制成功，拥有变色能力将成为现实

众所周知，自然界很多动物都有一种人类无法复制的本领，就是变色！比如变色龙，章鱼以及鱿鱼等。在遇到敌人追捕或感受到威胁时，它们通过改变皮肤的颜色巧妙地伪装自己。而当碰到青睐的异性时，皮肤会变得更加鲜艳以提高魅力。有时候，当身体温度改变时，它们皮肤的颜色也会改变。

科学家们一直在尝试复制这种能力。现有的人工皮肤只有在产生极大的机械形变时才会显示出肉眼可见的颜色变化。不过，最近来自清华大学、北京大学以及中科院等科研院所的几位科学家研制出了一种新的交互式电子皮肤，大大降低了可见色变所需的外界条件。这一成果也将会用于机器人、假肢和其他穿戴式设备。

这个新的电子皮肤的材料主要是石墨烯，由高灵敏度的电阻应变传感器和可拉伸的有机电致变色器件构成。相关论文近日发表在《2DMaterials》杂志上。

最后，杨博士最后补充道：“虽然之前很少有新闻来报道我们的这种在如此小的应变范围内就可以产生交互式颜色变化的电子皮肤，但是它将来在穿戴式设备，机器人和假肢中的应用前景将会非常广阔。”

整理：ChemicalBook中文编辑部

编辑人员：娜米